החלבון p53 זכה, ובצדק, לכינוי "שומר הגנום", בזכות פעילותו האנטי-סרטנית. תפקוד לא תקין של החלבון - בעקבות מוטציות - אחראי למחצית מכלל מקרי הסרטן. מאז התגלה לראשונה, לפני כ-30 שנה, מנסים מדענים רבים ברחבי העולם לפענח את מנגנוני פעילותו בגוף הבריא, ולהבין את השיבושים הגורמים למחלות.

 

פעילותו נעשית באמצעות בקרה ישירה על התבטאותם של גנים: כאשר התא נמצא במצב מצוקה המחייב תגובה, כמו חשיפה לרעלים או לקרינה, p53 מופעל ונקשר לאתרי מטרה מוגדרים על גבי הדי-אן-אי - כלומר לתחום מסוים של הרצף הגנטי. כך הוא יכול לשלוט בקצב בו יהפכו גנים אלה לחלבונים פעילים, ולמעשה, הוא יכול לקבוע את תגובת התא למצב החירום.

 

"אחת התעלומות הגדולות היא, כיצד מצליחים חלבונים כמו p53 לזהות את אתרי המטרה שלהם - רצף קצר של בסיסים- במולקולות הדי-אן-אי שאורכן שלושה מיליארד בסיסים, ולעשות זאת באופן מדויק ותוך זמן קצר ביותר", אומרת פרופ' ציפי שקד, ראש המחלקה לביולוגיה מבנית שבפקולטה לכימיה במכון, אשר חוקרת בשיטות קריסטלוגרפיות את המבנים התלת-ממדיים שיוצר p53 כשהוא קשור לאתרי המטרה שלו על גבי הדי-אן-אי.

 

במקרה של p53 מדובר בתעלומה כפולה ומכופלת, שכן חלבון זה מכיר מספר גדול של אתרי מטרה, שלכל אחד מהם רצף די-אן-אי מיוחד, זאת מפני שהוא נדרש לווסת את פעילותם של גנים רבים. בנוסף לכך, כאשר התא נכנס למצוקה, p53 ניצב בפרשת דרכים בה הוא נדרש "לבחור" בין שני כיווני פעולה עיקריים: כיוון אחד, במקרה שנגרם לדי-אן-אי נזק קל יחסית, הוא עצירת תהליכי חלוקת התא והפעלת המנגנונים שאחראים על תיקון הנזק. כיוון שני, במקרים בהם הנזק הגנטי אינו ניתן לתיקון, הוא הפעלת גנים אשר מוציאים לפועל את תוכנית ההתאבדות התאית (אפופטוזיס), במטרה לשמור על שלמות הייצור כולו. בכל אחת משתי האפשרויות מפעיל p53 גנים שונים,  באמצעות קשירה לאתרי מטרה מיוחדים, שכל אחד מהם מחולל רצף אירועים המפעיל חלבונים שמטפלים במצב בצורות שונות.

 

כיצד נעשית הבחירה בין שתי האפשרויות? רמז אפשרי לפתרון השאלה הזאת מצוי אולי באופן בו נקשר p53 לאתרי המטרה השונים. מחקרים רבים הראו, שאתרים אלה מורכבים משני רצפי קישור (באורך של 10 זוגות בסיסים כל אחד), שאליהם נקשרות ארבע מולקולות של p53. בשנת 2006 הצליחה קבוצת המחקר של פרופ' שקד לראשונה ליצור גבישים של רביעיות של p53 כשהן קשורות לרצפי די-אן-אי שונים, ולפענח את המבנים התלת-ממדיים שלהם. ממצאי המחקר, שהתפרסמו בכתב העת Molecular Cell, הראו כי שני זוגות של חלבוני p53 נקשרים לשני רצפי הדי-אן-אי זה בסמוך לזה, ויוצרים צבר (complex) מרובע. עוד התגלה, כי אתרי מטרה מרצפים שונים מקיימים דפוסים שונים של אינטראקציות עם ה-p53: חומצות האמינו המצויות באזור הקישור של החלבון מסתובבות על צירן בהתאם לרצף הדי-אן-אי שאליו הן נקשרות, כדי להיצמד אליו בצורה החזקה ביותר. 

 

במחקרים שנעשו בהמשך, בקבוצות מחקר נוספות, התברר כי על אף שבכל המקרים נקשרות ארבע מולקולות חלבון לדי-אן-אי, אפשר לחלק את הצברים לשני סוגים מרכזיים, בהתאם לאתרי המטרה שלהם: בסוג הראשון, שני רצפי הקישור מופרדים על-ידי רצף של זוגות בסיסים באורך לא קבוע. בסוג השני לא קיימת הפרדה, ושני הרצפים צמודים זה לזה. עוד התברר, כי אתרים מהסוג השני, הצמוד, ממוקמים לפני גנים שקשורים בעצירת חלוקה, ואילו אתרים מהסוג הראשון, המופרד, נמצאים לפני גנים המוציאים לפועל את תוכנית האפופטוזיס.

 

במבנים הגבישיים שחקרה קבוצתה של פרופ' שקד ב-2006 היו אתרי המטרה מהסוג המופרד, ולכן הועלו מספר שאלות: האם קיימים הבדלים בסידור המרחבי של צברי p53 עם אתרי המטרה השונים? אם כן, מה משמעותם של ההבדלים האלה, וכיצד הם משפיעים על יחסי הגומלין בין החלבונים לבין הדי-אן-אי? והאם יש להם תפקיד בהחלטה לאיזה מסלול יש להפנות את התא הפגוע? פרופ' שקד וחברי קבוצת המחקר שלה - החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר מלכה קיטיינר, עמית המחקר ד"ר חיים רוזנברג, תלמיד המחקר עודד סואד, ופרופ' דב רבינוביץ - חקרו סוג חדש של גבישים, שבהם p53 קשור לאתרי מטרה מהסוג הצמוד. הממצאים שלהם, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת Nature structural and molecular biology, מספקים מידע חדש על ההבדלים התלת-ממדיים בין שני סוגי הצברים: הרווח שבין רצפי הקישור גורם לשני זוגות ה-p53 להסתובב זה ביחס לזה. "השינוי הקטן-לכאורה הזה מוביל לשינוי מוחלט בארכיטקטורה של הצבר, בזיקה של החלבון לדי-אן-אי, וביכולת הגישה של חלבונים נוספים להצטרף למבנה. למעשה, זה הבדל של עולם ומלואו", אומרת פרופ' שקד. בעוד שעל אתר המטרה מהסוג הצמוד מסתדרת רביעיית החלבונים בשני זוגות מקבילים, בצורת מקבילית מישורית, על אתר המטרה מהסוג הלא-צמוד הם יוצרים צורת מקבילית מפותלת (ראו איור). בצורה הצמודה, קשרי הגומלין בין ארבעת החלבונים חזקים הרבה יותר, המבנה יציב הרבה יותר, והזיקה לדי-אן-אי חזקה יותר. כאשר הזיקה חלשה יותר, נדרשים חלבונים נוספים כדי לייצב את המבנה. ייתכן כי חלבונים נוספים כאלה מעורבים בהחלטה אם לנסות לתקן נזקים, או להשמיד את התא.

 

כשבחנו המדענים את זוגות הבסיסים בזה אחר זה, הם גילו הבדל מעניין נוסף בין שני אתרי המטרה. מתברר כי באתרים חסרי הרווח, בסיסי הדי-אן-אי מסוג אדנין מסובבים ב-180 מעלות ביחס לבני זוגם מהגדיל המקביל, בסיסי תימין, ויוצרים מבנה מיוחד. חישובים שעשו מדענים מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק הראו, כי משיכה חשמלית חזקה תורמת ליציבות הגדולה יותר של המבנים מהסוג הזה. "התגלית הזאת מרחיבה את אפשרויות הקריאה הידועות של רצף הדי-אן-אי - לא רק בהקשר ל-p53, אלא גם לגבי חלבונים דומים נוספים", אומרת פרופ' שקד. "מתברר כי בנוסף למידע המצוי ברצף הבסיסים, קיים אלף-בית נוסף, הטמון בזווית שבין הבסיסים, אשר מרחיב עוד יותר את אפשרויות הזיהוי של הצופן הגנטי".

 

בקבוצת הביולוגיה המבנית של p53 משתתפים גם ד"ר נעמה קסלר, ד"ר יעל דיסקין-פוזנר, אמיר אלדר, אביבה קפיטקובסקי ויעקב חלפון.

 

 

 

 

 

לפעמים, תמונה אחת עושה מה שהרבה מילים אינן יכולות לבטא. במילים אחרות, לפעמים התבוננות בקנקן יכולה ללמד על מה שיש בתוכו. הדבר נכון במיוחד כשמדובר במדע הפרוטאומיקה המבנית - חקר מבנה החלבונים. "פיענוח המבנה המרחבי של חלבונים מספק למדענים מידע חשוב - שאי-אפשר לקבלו באמצעים אחרים - על תפקידם ותכונותיהם של החלבונים. מידע זה מעלה שאלות חדשות, ומסייע בתכנון ניסויים מדעיים מתקדמים ובפיתוח תרופות", אומר פרופ' יואל זוסמן, ראש המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית במכון ויצמן למדע. המרכז מציין בימים אלה חמש שנים להיווסדו, ואת המעבר למשכנו החדש בבניין מאייר. 

המרכז, הפועל בתמיכת משרד המדע הישראלי, קרן דיבדול, והאיחוד האירופי, מהווה צומת מרכזי ברשת אירופית, אשר נוצרה במטרה לספק למדענים תשתית מתקדמת בתחומי הביולוגיה המבנית. מייסדי המרכז, פרופ' יואל זוסמן, פרופ' גדעון שרייבר, פרופ' ישראל סילמן ופרופ' יגאל בורשטיין, נקטו  גישה חדשנית לזמנה, אשר מאומצת כיום במרכזים נוספים בעולם, המעמידה במוקד את המדען ואת השאלה המחקרית המעסיקה אותו. "העבודה המשותפת של הצוות הקבוע של המרכז - המומחים לקביעת מבנה מולקולות החלבון, עם המדענים החוקרים את תיפקוד החלבון, יוצרת שלם העולה על סכום חלקיו", אומר פרופ' זוסמן.

 

צוות המרכז, הכולל את ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, ד"ר שירה אלבק וד"ר יואב פלג, אחראי במשותף על הניהול השוטף של המרכז ועל כל שלבי העבודה - החל בתכנון הפרויקטים, דרך שיבוט הגן המקודד לחלבון, ביטוי החלבון (ייצורו), בידודו וניקויו, גיבושו לגבישים, פיענוח המבנה הגבישי שלו, וכלה בניתוח המבנה התלת-ממדי של מולקולות החלבון. קביעת המבנה נעשית באמצעות שיגור אלומות חזקות של קרני X ("רנטגן"). מדידת פיזור הקרינה, שנגרם על-ידי גבישי החלבון, מאפשר לפענח את מבנה הגביש. העבודה מתבצעת על פרויקטים רבים במקביל, ומתועדת ומבוקרת בעזרת תוכנה ייחודית שפותחה במיוחד לשם כך בשיתוף עם ד"ר חיים פרילוסקי, ראש היחידה לביואינפורמטיקה ורני ברבדו מהמחלקה לעיבוד נתונים. עם זאת, מדובר בתהליך התפור על-פי מידה: לכל חלבון "אישיות" משל עצמו - מבנה מרחבי וצורת קיפול אופיינית. לכן, פיענוח מבנה של כל חלבון מחייב תנאי עבודה ייחודיים. "תחום הפרוטאומיקה המבנית מרכז בימים אלה מאמצים עצומים ברחבי העולם. הודות לאנשי צוות המרכז, ניצב מכון ויצמן בחוד החנית של מאמצים אלה", אומר פרופ' גדעון שרייבר.

 

במהלך חמש שנות קיומו מקיים המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית שיתוף פעולה עם מדענים ממכון ויצמן למדע וממוסדות מחקר אחרים בארץ ובעולם, רופאים, וחוקרים מהתעשייה הביו-טכנולוגית והביו רפואית. חברי הצוות עבדו עד כה על מאות פרויקטים, ייצרו יותר ממאה חלבונים (מנוקים), ומתוכם הצליחו לפענח את המבנה המרחבי של כ-40. מלבד פיענוח מבנים של חלבונים, המרכז נותן סיוע וייעוץ לסטודנטים ולקבוצות מחקר בכל שלבי התהליך. בנוסף לכך, עקב הביקוש הגובר, מייצר המרכז חלבונים שונים, המשמשים מדענים לעריכת מחקרים ביוכימיים וביופיסיקליים.

עם המעבר למשכנו החדש, יציע המרכז לפרוטאומיקה מבנית אזורי לימוד ועבודה לאורחים, שיוכלו להשתלם בשיטות של הפקת חלבונים או פיענוח המבנה שלהם.

 

בשנה האחרונה הגיעו מספר פרויקטים שבוצעו במרכז לבשלות.

פוליאמינים הם מולקולות קטנות הנמצאות בכל סוגי היצורים החיים. הם משתתפים בתהליכים תאיים חיוניים רבים, כמו יצירת חלבונים וחומצות גרעין, קביעת מבנה הכרומוזומים וביטוי גנים. ריכוז נמוך מדי של פוליאמינים עוצר את חלוקת התאים, ואילו ריכוז גבוה הוא רעיל - ולכן כמותם מבוקרת בקפידה, באמצעות מערכת חלבונים. מערכת בקרה זו כוללת את האנזים האחראי על יצירת הפוליאמינים (וקובע את קצב ייצורם), וחלבונים נוספים  מחקר של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה בשיתוף עם פרופ' חיים כהנא, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, חשף את פרטי המבנה ומנגנון הפעולה של מנגנון הבקרה הזה. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי Protein Science.

קבוצתו של פרופ' אלכסנדר ברשדסקי, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, חוקרת את פעילותו של חלבון הקרוי p120, הממוקם על-פני קרומי תאים, ואחראי על ייצוב "צומתי המגע" ביניהם. חברי צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית הצליחו לייצר ולנקות את החלבון הזה וחלבון נוסף, קורטקטין, המעודד יצירת סיבים חלבוניים. באמצעות חלבונים אלה הוכיחו חברי קבוצת המחקר של פרופ' ברשדסקי, כי p120 נקשר לקורטקטין, וכך מבקר באופן ישיר את פעילותו. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת PNAS.

אנזימים הם חלבונים המסוגלים להאיץ את הקצב של תגובות כימיות מסוימות פי מיליארדים ויותר. צוות מדענים מארה"ב, בשיתוף מדעני מכון ויצמן למדע, הצליח לשחזר את עקרונות הפעולה של מכונות משוכללות אלה, וליצור אנזים חדש, מסוג שאינו קיים בטבע. קבוצת המחקר של פרופ' דוד בקר מאוניברסיטת וושינגטון, ופרופ' דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, השתמשה בשיטות ממוחשבות כדי לתכנן את המבנה הרצוי של האנזים החדש. צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית במכון פיענח את מבנה האנזים שנוצר בפועל, והוכיח כי הוא זהה כמעט לחלוטין לזה שתוכנן. בשלב זה השתמש פרופ' דן תופיק בשיטה של אבולוציה מזורזת שפיתח, כדי לשפר את יעילות האנזים באמצעות ברירת מוטציות. המבנה המרחבי של מספר אנזימים מוטנטיים, שנקבע על-ידי המרכז לפרוטאומיקה, סיפק תובנות הנוגעות ליעילותם המשופרת, אשר יסייעו לתכנון אנזימים יעילים יותר בעתיד. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי  Nature (ראו "המכון" מספר 51).

חיידקי Bacillus thuringiensis מייצרים חלבונים רעילים אשר קוטלים חרקים באמצעות הרס קרומי התאים. פיענוח המבנה של חלבונים אלה יכול להוביל לשימוש בהם כבמדבירי חרקים טבעיים, וגם כבתרופה המשמידה תאים סרטניים. במחקר משותף של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית של מכון ויצמן למדע, ושל פרופ' אריה זריצקי ותלמיד המחקר שמוליק כהן מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת בן-גוריון, פוענח המבנה המרחבי של אחד מחלבוני החיידק. ממצאים אלה מעלים  השערות לגבי מנגנון הפעילות של הרעלן ולגבי הסיבות לרמת רעילותו הגבוהה. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב העת JMB.

תאים הנקלעים למצב מצוקה מפסיקים את הייצור השוטף של חלבונים לא-חיוניים, ומפעילים "מסלול חירום" בו מיוצרים רק החלבונים הדרושים לצורך התמודדות עם המשבר. פרופ' עדי קמחי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון זיהתה את הגן DAP5, המקודד לחלבון אשר מבקר את הפעלתו של מסלול החירום, וגילתה כי הפעלתו של DAP5 כרוכה בחיתוכו לשני מקטעים. צוות המכון לפרוטאומיקה פיענח את המבנה של המקטע הנושא את אתר החיתוך, והצליח לספק הסבר מבני לתהליך. על-פי ממצאים אלה, שפורסמו בכתב העת JMB, מציעים המדענים הסבר לתכונותיו הייחודיות של DAP5. 

 

 

* בתמונה: עומדים, מימין: ענת כץ, ד"ר יואב פלג, ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, פרופ' ישראל סילמן, פרופ' יגאל בורשטיין, ד"ר חיים פרילוסקי, ד"ר צבי מאיר גרינבלט. בשורה האמצעית, מימין: עדה דנטס, מיטל רובין-יונה, פרופ' גדעון שרייבר, ראש המרכז, פרופ' יואל זוסמן, אנה ברנזבורג-מועלם, דוד מועלם. בשורה הקדמית, מימין: ברכה וקנין, משה בן-דוד, רעות רותם-ברנהיים, רני ברבדו, ד"ר שירה אלבק