קו ההגנה הראשון של האורגניזם, המבודד אותו מהסביבה ומגן עליו מחיידקים ומנגיפים גורמי מחלות, הוא שכבה דקה וקשה של תאים מתים שמכסים את האפידרמיס - חלקו החיצוני של העור. התאים האלה נולדים בשכבה תחתונה יותר של העור, ושינויים שמתחוללים בהם גורמים להם לנדוד אל פני השטח, ולמות שם. מחקר חדש של צוות מדענים בין-לאומי, בראשות פרופ' דוד ולך מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, מראה כי המוות הרצוי הזה נושא בחובו גם את זרעיה של מחלה. מתברר, כי האנזים קספאז-8 - שהתגלה במעבדתו של פרופ' ולך - המעורב במנגנוני המוות התאי, ממלא תפקיד חשוב נוסף בריסון תהליך דלקתי שמתחולל כתוצאה ממותם של תאי עור. פעילות לא תקינה של אנזים זה עשויה לגרום להתפתחות דלקת עור כרונית.

מוות של תאים הוא תהליך חיוני לתיפקוד התקין של הגוף. כה חיוני, עד שבתאים "מותקנת" מעין "תוכנה" להשמדה עצמית הקרויה אפופטוזיס. האפופטוזיס הכרחי הן לגדילת הגוף ולחידושו והן למניעת התפתחות מחלות, כמו סרטן. לפני כעשור גילו פרופ' דוד ולך וחברי קבוצתו את האנזים קספאז-8, חבר במשפחת אנזימי הקספאזות. כמו חברים אחרים במשפחה זו, קספאז-8 ממלא תפקיד מרכזי באפופטוזיס, אולם שמורים לו גם מספר תפקידים נוספים- כפי שפרופ' ולך וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו במשך השנים. כשחקר פרופ' ולך, יחד עם ד"ר טיי-בונג קנג, את התפקידים של קספאז-8 ברקמות שונות בגוף, לפני מספר שנים, הוא הבחין כי ברקמה מסוימת - העור - ממלא האנזים תפקיד חשוב מאוד שאינו קשור למות תאים. אולם, תפקידו המדויק של האנזים ברקמה זו לא היה ברור.

 

בפתרון תעלומת התפקיד שממלא קספאז-8 בעור השתתף צוות בין-לאומי של מדענים מהודו, מקוריאה, מגרמניה ומישראל. יחד עם ד"ר אורי ברנר מהחלקה למשאבים טרינריים במכון הם פיתחו עכברים שהונדסו גנטית בצורה מיוחדת: היות שמניעת היווצרות של קספאז-8 בכל הגוף גורמת למוות של העכברים עוד לפני לידתם, המדענים הינדסו בעלי-חיים שייצרו את האנזים בכל הרקמות- מלבד העור. בנוסף, מהמטען הגנטי של עכברים האלה "נמחקו" עוד מספר גנים שעשויים לגרום למחלות עור - זאת במטרה לבודד את ההשפעה של קספאז-8.

 

בשלב ראשון ביקשו המדענים לבדוק האם ייתכן שקספאז-8 ממלא בכל זאת גם את תפקידו המוכר - מוות תאים - בשכבה העליונה של העור. התברר, כי תאי העור של העכברים המהונדסים, שלא כללו את האנזים, התאבדו בדיוק "לפי הספר" ולפי התוכנית. עם זאת, שלושה ימים לאחר לידת העכברים המהונדסים הופיעו בהם סימנים למחלת עור קשה. החוקרים הסיקו, כי קספאז-8 אינו חיוני לייצור שכבת התאים המתים בעור, וביקשו לבדוק מדוע מחסור באנזים הזה גורם למחלה, וכיצד היא נוצרת.

 

האם המחלה מתפרצת בעקבות תהליך המתחולל בתוך התא, או שאולי גורם חיצוני כלשהו - חיידק, או תא חיסון טועה, הוא שהצית את הדלקת? ממצאי צוות המדענים הראו, כי שינויים שמתרחשים בתוך תא העור, בזמן בו הוא מת ונע לשכבה החיצונית, הם הגורמים לדלקת. כלומר, בעוד שבמקרים אחרים גורם קספאז-8 למותם של תאים, הרי שבמקרה של התפתחות העור תפקידו הוא למנוע את התהליך הדלקתי שנוצר בעקבות מות התא.

 

בהמשך גילו החוקרים שמדובר בדפוס דלקת אשר התפתח במהלך האבולוציה כדי לענות על צורך חיוני: במצבים נורמליים, מדובר בתגובה של הגוף לפלישת נגיפים גורמי מחלות. תופעות כמו חום, אדמומיות, נפיחות וסימני דלקת נוספים הם כולם חלק מאסטרטגיה שמפעיל הגוף כדי להילחם בפולשים שונים, במיוחד נגיפים. תפקידו של קספאז-8 בעור הוא לרסן את הפעילות של מולקולה הקרויה IRF3, אשר מכתיבה את הייצור של אינטרפרון ושל חלבונים נוספים המגבירים את התגובה האנטי נגיפית. לא ברור מדוע בחר הגוף לגרום להפעלה מתמדת של IRF3 בעור, שכן אסטרטגיה זו נושאת סיכון לדלקת כרונית. מדענים סבורים, שהיא מעניקה יתרון משום שהיא מאפשרת "כוננות שיא" מול התקפה בקו ההגנה הראשון, שהוא העור.

 

את המחקר הוביל ד"ר אנדרו קובלנקו במעבדתו של פרופ' ולך. תלמיד המחקר דאז, ג'ין-צ'ול קים, התמקד באיפיון תפקיד האנזים באפידרמיס. החוקרים הבתר-דוקטוריאליים, ד"ר אקהיל רג'פוט וד"ר קונסטנטין בוגדנוב, חקרו את המנגנונים המולקולריים, וד"ר טיי-בונג קנג המשיך את המחקר בבדיקת תפקיד האנזים בגוף ובבחינת הדרכים המאפשרות לו לגרום למות תאים במצבים מסוימים, ולעכב דלקת במצבים אחרים. שני מדענים גרמניים, ד"ר מיכאל קרכת ממכון רודלף-בוכהיים לפרמקולוגיה בגיסן, וד"ר אוליבר דיטריך-ברייהולץ מבית-הספר לרפואה בהנובר,סייעו בניתוח התבטאות הגנים בעור. ממצאי המחקר התפרסמו בכתב העת The Journal of Experimental Medicine.

 

חשיפת התפקיד של קספאז-8 בתאי העור של עכברים עשויה לתרום להבנה טובה יותר של מחלות אנושיות הכרוכות בדלקת עור כרונית, כמו פסוריאזיס. הדמיון בין שני מצבים אלה מתבטא, בין היתר, בכך שחסימת התיפקוד של TNF - חלבון נוסף שנחקר במעבדה של ולך, המהווה בסיס לתרופה מוצלחת ביותר נגד פסוריאזיס - גורמת להקלת הסימפטומים של מחלת העור בעכברים המהונדסים. "בנוסף", אומר פרופ' ולך, "מחקרים קודמים שלנו מצביעים על האפשרות שתהליכים דומים מתחוללים באיברים אחרים בגוף. ייתכן כי האנזים קספאז-8 חיוני למניעת דלקת, וכי פעילות לא תקינה שלו עלולה להיות קשורה למספר מחלות דלקתיות כרוניות".

 

 

ככה זה כשיש שניים, מסתבר,
זה תמיד פעמיים, לדבר,
זה נותן לי ת'כוח,
להתגבר גם על מאה מכות.

 

 

שניים הוא מספר מפתח בעולם החי. לא רק במה שקשור לאורגניזמים עצמאיים, אלא גם בגרעין התא: בסדרת מחקרים של מדעני מכון ויצמן למדע נמצא, שתהליכי תיקון די-אן-אי מרכזיים מבוססים על פעולה משלימה של שני אנזימים ייחודיים.

 

פרופ' צבי ליבנה מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, החוקר תהליכים של תיקון די-אן-אי זה שני עשורי שנים, אומר: "הדי-אן-אי של כל תא בגופנו ניזוק בכל יום בערך 20 אלף פעם, כתוצאה מקרינה, ממזהמים ומחומרים מזיקים שונים המיוצרים מתוך הגוף עצמו. בהתחשב בכך, ברור שללא תהליכי תיקון די-אן-אי לא יכלו החיים כפי שאנחנו מכירים אותם להתקיים. רוב סוגי הנזקים מובילים למוטציות נקודתיות, מעין 'טעויות דפוס' בצופן הגנטי, אשר מתוקנות על-ידי אנזימים הפועלים ברמת דיוק טובה למדי. אלא שלפעמים משמעות הנזק אינה רק טעות דפוס פשוטה. במקרים כאלה עלולים להיווצר במולקולת הדי-אן-אי פערים אשר מונעים ממנה לעבור שיכפול כאשר התא מתחלק, ממש כפי שכתם דיו או חור בעמוד בספר מפריע לקריאה. פערים אלה כל כך מסוכנים, עד כי התא מסלק אותם בשיטת פעולה רשלנית אך עם זאת יעילה: הוא ממלא את הדי-אן-אי החסר באופן לא מדויק. תיקון מסוג זה יכול אמנם להציל את התא ממוות, אך יש לו מחיר: המנגנון הזה, הנוטה לטעויות, אשר התגלה לפני כעשור במכון ויצמן למדע ובמספר מכוני מחקר נוספים בעולם, הוא מקור עיקרי למוטציות".

 

במחקר שביצע באחרונה, יחד עם תלמידי המחקר סיגל שחר ועומר זיו, ובשיתוף עם מדענים מארה"ב ומגרמניה, גילה פרופ' ליבנה איך פועלת שיטת תיקון זו הנוטה לטעויות. המדענים מצאו, שהתיקון מתבצע בשני שלבים ומחייב פעולה משלימה של שני סוגי אנזימים, השייכים למשפחת אנזימי הפולימרז, אשר מרכיבים את הדי-אן-אי. בתחילה, האנזים המתקן הראשון, "המחדיר", עושה את מיטב יכולתו כדי להכניס "אות" גנטית לתוך הפער, מול המקום הפגוע במולקולת הדי-אן-אי. את הפעולה הזו יכולים לבצע מספר אנזימים מתקנים, והיא מובילה לעיתים להחדרת אות גנטית לא נכונה (דבר שמשמעותו יצירת מוטציה). בשלב השני, אנזים אחר, "המאריך", עוזר לחדש את השיכפול הרגיל של הדי-אן-אי בכך שהוא מחבר אותיות די-אן-אי נוספות אחרי מקום הנזק. ישנו רק אנזים תיקון אחד אשר מסוגל לבצע שלב חיוני זה, והוא נקרא די-אן-אי פולימראז זיטא ממצאים אלה התפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי EMBO Journal.

 

הבנת מנגנון חשוב וחיוני זה לתיקון די-אן-אי יכולה להוביל לפיתוח יישומים רפואיים. פגמים בתהליך תיקון הדי-אן-אי עלולים להגדיל את הסיכון לחלות בסרטן. לכן, אם נבין טוב יותר את תהליכי תיקון הדי-אן-אי, נוכל אולי, בעתיד, לשפר תהליכים אלה באנשים שתהליכי התיקון בגופם אינם יעילים מספיק. בנוסף, ייתכן שהידע שנצבר במחקרים אלה יוכל לסייע בהגברת יעילותן של תרופות נוגדות סרטן. תאים סרטניים מתנגדים לתרופות אלו באמצעות הפעלת של מנגנוני תיקון הדי-אן-אי הטבעיים שלהם; חסימת מנגנונים אלה עשויה להחליש את התנגדותם, ולחשוף אותם לפעולת התרופות, ובכך לשפר את יעילותן.

 

 

 

תאי העצב היוצרים יחד סיבי עצבים, דוגמת אלה הפרוסים מבסיס עמוד השדרה לכל אורך הרגל, מגיעים לעיתים לאורך של מטר. במילים אחרות, שלוחותיהם של תאי העצב, האקסונים, יכולות להיות ארוכות פי 40,000 מרוחב גוף התא. כאשר אקסון כזה נפגע, הוא משגר אותות מצוקה מולקולריים אל עבר גרעין התא. בשביל המולקולה המעבירה את איתות המצוקה, המסע מאתר הפגיעה שלאורך האקסון אל גוף התא הוא שווה ערך למסע של שליח אנושי מקצה אחד של המדינה אל הקצה האחר.

פרופ' מיכאל פיינזילבר, מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, חוקר את מערכות התקשורת של איתות החירום בתאי עצב. בעבר עלה בידו להראות שאותות המצוקה מורכבים כמבנה מולקולרי הנע לכיוון הגרעין על מעין "מסילה" העשויה ממיקרוטובולות, המהוות חלק מהשלד התאי. החלבון דיינין מתפקד כמעין מנוע, שיחד עם "חלבוני יבוא" ("אימפורטינים") מעביר מולקולות שונות אל תוך גרעין התא, וממנו אל חלל התא. כך מגיעים אותות המצוקה מה"שטח" אל מוצב הבקרה והפיקוד של התא.

 

אבל כיצד פועל המנגנון השולט במערכת התקשורת הזאת לאחר פציעה? זו הייתה השאלה שהעסיקה את פרופ' פיינזילבר ואת תלמידי המחקר מקבוצתו, דימיטרי יודין ושלומית הנץ, שעבדו יחד עם חברי קבוצת המחקר של ד"ר ג'פרי טוויס במכון נימורס בדלאוור. הם השתמשו בעצבי הירך של חולדות כבמודל מחקרי, וחיפשו שינויים בהרכב המולקולרי של החומר התאי מסביב לאתר הפציעה בתאי עצב. להפתעתם, הם גילו באיזור הפציעה מולקולות שעד כה נחשבו כ"תושבות" של גרעין התא בלבד. המולקולות האלה, הידועות באופן קבוצתי כמערכת ה-Ran, מופיעות בשתי תצורות עיקריות: אחת שנמצאת בתוך הגרעין, והשנייה מצויה בעיקר מחוץ לגרעין, ומסייעת לחלבונים ה"אימפורטינים" להוביל מולקולות שונות אל תוך הגרעין, וממנו החוצה, דרך מעין שערים בקרום הגרעין. מתברר שמולקולת ה-Ran, המצויה בדרך-כלל בתוך הגרעין, משתלבת במבנה המולקולרי המהווה את אות המצוקה שאמור להישלח מאתר פגיעה בסיב העצב אל גוף התא. השתלבות מולקולת ה-Ran ה"גרעינית" במבנה מונעת מהחלבונים האימפורטינים להתחבר אל המבנה ולמשוך אותו לאורך מסילת השינוע. כאשר מתחוללת פציעה, מולקולת ה-Ran ה"גרעינית" הופכת ל"אחותה" החוץ-גרעינית, והיא מתנתקת מהמבנה המולקולרי. בשלב זה נקשר המבנה המשוחרר אל האימפורטינים, המתחילים למשוך אותו במעלה האקסון, בדרך הארוכה אל גוף התא.

 

המדענים סבורים שמערכת ה-Ran פועלת כמעין מנעול ביטחון שמונע הפעלה לא רצויה ולא נחוצה של מערכת האזעקה. במקרה של מצב חירום אמיתי, המערכת משחררת את המנעול בזריזות, ומאפשרת שיגור של אותות מצוקה. הבנה טובה יותר של המנגנון הזה עשויה להוביל לפיתוח שיטות טיפול שיסייעו בריפוי פגיעות בתאי עצב.

 

 

התאים החיים מכילים אלפי חלבונים שונים, אשר מבצעים בהם הרבה מאוד פעולות חיוניות. חלבונים פגומים, או כאלה שאינם מתפקדים כראוי, גורמים למחלות. חקר החלבונים, מבניהם ודרך תיפקודם, הוביל בעבר לפיתוח תרופות ושיטות טיפול למחלות רבות. כך, למשל, גילוי מעורבותו של החלבון אינסולין במחלת הסוכרת סלל את הדרך לפיתוח טיפול המבוסס על הזרקת אינסולין. אך על אף המאמץ המחקרי העולמי המושקע בתחום זה, תפקידם של חלבונים רבים עדיין אינו ידוע. חוקרי החלבונים מבצעים מניפולציות גנטיות שונות, המאפשרות להפסיק את ייצורו של חלבון מסוים, או להגביר אותו מאוד. ניסויים כאלו מלמדים על פעילותו ותפקידו של החלבון הנחקר. הדרכים הקיימות לכיבוי ולהפעלה של גנים (האחראיים לייצור החלבונים) הן מורכבות ובעלות חסרונות שונים, ואינן נותנות מענה שלם לצורכי החוקרים.

 

פרופ' מוטי ליסקוביץ' ותלמיד המחקר אורן ארסטר, מהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון ויצמן למדע, יחד ד"ר מירי אייזנשטיין, מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, פיתחו באחרונה שיטה ייחודית להתקנת "מתגים" להפעלה ולכיבוי, שאתם ניתן להחדיר לכל חלבון רצוי, וכך לשלוט במידת פעילותו: להגביר אותה פי כמה, ואף להפסיק אותה כמעט לגמרי. השיטה מספקת מכשיר מחקרי פשוט, יעיל ושימושי לחוקרים המעוניינים לבדוק את תיפקודם של חלבונים לא-מוכרים, ובעתיד עשויים להיות לה יישומים רבים נוספים.

 

שיטת ההפעלה של המתג מבוססת על מנגנון כימי-גנטי: אל רצף חומצות האמינו המרכיבות את החלבון מחדירים, בשיטות של הנדסה גנטית, רצף קצר של מספר חומצות אמינו. רצף זה מסוגל להיקשר, באופן חזק ובררני, לחומר כימי מסוים. קשירה של החומר הכימי לרצף חומצות האמינו משפיעה על רמת הפעילות של החלבון המהונדס - מגבירה או מפחיתה אותה. כאשר מפסיקים לתת את החומר, או מסלקים אותו מהמערכת, חוזר החלבון לרמת הפעילות הטבעית שלו.

 

השלב הראשון בשיטה, שפורסמה באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Methods, הוא הכנת מערך חלבונים מהונדסים, אליהם מוחדר רצף חומצות האמינו במיקומים שונים. בשלב השני נסרקים החלבונים, במטרה לזהות את אלה שמגיבים למתן החומר הכימי באופן הרצוי. ואכן, החוקרים גילו כי בחלק מהחלבונים המהונדסים הפחית החומר הכימי את רמת הפעילות, בעוד שחלבון נוסף הגיב לחומר הכימי בפעילות מוגברת. פרופ' ליסקוביץ': "יעילות השיטה הפתיעה אותנו - מתברר שיש צורך במערך קטן מאוד של חלבונים מהונדסים כדי למצוא צורות שמגיבות לחומר הכימי. בחברות ביוטכנולוגיה אפשר יהיה ליצור מערך גדול בהרבה של חלבונים מהונדסים, וכך למצוא חלבון מהונדס שעונה לדרישות באופן מיטבי".

 

ואכן, השיטה שפיתחו מדעני המכון ניתנת ליישום מיידי, הן לצורך מחקר ביוכימי בסיסי על פעילותם של חלבונים שונים, והן בחברות תרופות המחפשות חלבונים המהווים מטרה מתאימה להתערבות תרופתית. מדובר במכשיר יעיל, פשוט ורב-עוצמה, שניתן ליישם עבור כל חלבון. היתרון החשוב של השיטה, לעומת טכניקות אחרות, הוא השליטה  המוחלטת והמדויקת בפעילות החלבון המהונדס: ניתן לווסת את פעילותו במקומות מוגדרים, בזמנים מסוימים, להגיע לדרגת הפעילות הרצויה, ואף לחזור לרמת הפעילות הטבעית, וכל זאת באמצעות מתן מינונים מדויקים ומתוזמנים של חומר כימי פשוט.

 

בנוסף לכך, ניתן יהיה ליישם את השיטה, בעתיד, ברפואה גנטית. ייתכן שניתן יהיה להחליף חלבונים פגומים, הגורמים למחלות קשות, בחלבונים מהונדסים, ולשלוט ברמת פעילותם באופן מדויק - באמצעות מתן מינונים מתאימים של תרופה. יישום עתידי אפשרי נוסף הוא בתחום ההנדסה הגנטית. השיטה תאפשר, למשל, לייצר צמחים מהונדסים שבהם ניתן יהיה לשלוט במדויק במועד הבשלת הפרי, באמצעות מתן חומר כימי המגביר את פעילותם של החלבונים האחראיים על תהליך ההבשלה. בנוסף לכך נעשה שימוש רב בחלבונים - כמוציאים לפועל של תהליכים תעשייתיים, כחישנים ביולוגיים (ביו-סנסורים), ועוד. היכולת לשלוט בקצב התהליכים הללו, להגבירם או לעוצרם, בצורה מיידית והפיכה - היא בעלת ערך רב.

    

 

עבודת המחקר של אורן ארסטר, ושלוש עבודות נוספות של תלמידי מחקר ממדרשת פיינברג, הוצגו באחרונה בכנס מדענים צעירים מטעם הפדרציה האירופאית של האגודות לביוכימיה (FEBS).

 

מחקרו של אייל קמחי, ממעבדתו של פרופ' יוסי שפרלינג מהמחלקה לכימיה אורגנית, חושף נתונים חדשים ומפתיעים על אודות אחד השלבים בתהליך ייצור החלבונים - תהליך ה"שיחבור": מולקולת האר-אן-אי ה"גולמית", שהיא העתק של מקטע מסליל הדי-אן-אי, עוברת "חיתוך והדבקה" בנקודות מסוימות, וכך מתקבלת מולקולת אר-אן-אי "בשלה", על פיה מיוצר החלבון. המערכת שבגרעין התא יודעת לזהות "סימני שווא", שהכללתם באר-אן-אי הבשל תוביל ליצירת חלבון קצר ופגום, ומתעלמת מהן. קמחי גילה, כי תקינותו של הרצף שמציין את תחילת החלבון הכרחית לצורך זיהוי זה. ממחקרו עולה, שאחד הרכיבים החשובים במנגנון הזיהוי הוא המולקולה המעבירה את חומצות האמינו לחלבון הנוצר.

 

יהודית פוזן, ממעבדתו של פרופ' יורם סולומון במחלקה לבקרה ביולוגית, חוקרת כיצד מתמודדים תאים עם עקה חמצונית, כלומר, מה הם המסלולים הביוכימיים המופעלים בתא בתגובה לתרכובות חמצן פעילות. פוזן הראתה, כי ה"גלאי" המזהה את התרכובות המזיקות, ומפעיל את התגובה התאית, הוא "שחקן" מוכר - הקולטן לגורם הגדילה EGF, אשר מעורב בתהליכים חיוניים רבים בתא - גדילה, חלוקה, נדידה ועוד, ופעילות-יתר שלו קשורה בתהליכים סרטניים. בהמשך גילתה, כי קישור יציב בין שני קולטנים כאלו הוא שמעביר לתא את ה"דיווח" על נוכחות תרכובות החמצן.

 

התנהגותו הדו-פרצופית של אנזים מסוים, PTP-אפסילון, היא נושא המחקר של יהודית קראוט-כהן, ממעבדתו של פרופ' ארי אלסון במחלקה לגנטיקה מולקולרית. במצבים מסוימים מקדם האנזים התמרה סרטנית, ומגביר את האגרסיביות של גידולים סרטניים, ואילו במקרים אחרים הוא מעכב חלוקת תאים. כיצד מסוגל אנזים יחיד לבצע תפקידים מנוגדים? מהו הגורם "המחליט" כיצד יתנהג האנזים? מחקרה של קראוט-כהן חושף מנגנון, שבמסגרתו האנזים מהווה חלק ממתג מולקולרי המעכב או מפעיל שרשרת אירועים האחראית על חלוקת התא. זיהוי ה"צמתים" שבהם מתקבלת ההחלטה אם להתחלק, והמנגנונים השולטים בקבלת החלטה זו, חשוב להבנת פעילותם של מנגנונים סרטניים שונים, ועשוי לסייע  לבלימתם.