דינמי, מתוחכם ורגיש לסביבה: כך מנסח ה- mRNA את הנחיותיו לריבוזום

חוקרים בטכניון גילו מנגנון לא ידוע המבקר את יצירת חלבונים בתא. מנגנון זה מנצל שינויים כימיים על גבי ה-mRNA כדי להשפיע על הקצב שבו הריבוזום, מפעל החלבונים התאי, יוצר את החלבונים. החוקרים, פרופ’ יואב ערבה והדוקטורנט עופרי לוי מהפקולטה לביולוגיה, פרסמו את התגלית בכתב העת Nucleic Acids Research.

פרופ’ יואב ערבה

בקרת הביטוי הגנטי אחראית לתרגום הקוד הגנטי (הכתוב ב-DNA) לכדי חלבונים המותאמים לייעודם ברקמה הספציפית, וזאת תוך התחשבות בתנאי הסביבה המשתנים. “אם ה-DNA הוא ספר הבישול,” אומר עופרי לוי, “הרי שהאופה הוא הריבוזום – מפעל החלבונים בתא. הגורם המתווך העיקרי בתהליך הוא מולקולת ה-mRNA, שמעבירה את ה”מתכון” מה-DNA אל הריבוזום. אינטראקציה נכונה בין ה-mRNA לריבוזום חיונית לתקינות החלבונים ולאיכותם.”

כבר כמה שנים ידוע שה-mRNA אינו מעביר את ההוראות מה-DNA כלשונן אלא עובר שינויים רבים בדרך. שינויים כימיים אלה עלו לכותרות לאחרונה בהקשר של חיסוני הקורונה; החיסונים של החברות פייזר ומודרנה מבוססים על החדרת mRNA מלאכותי לגוף כדי שיוביל ליצירת חלבונים חיסוניים בתוך תאי גופנו. ברם, מאחר שהתא מתייחס ל-mRNA כאל גוף זר, הוא נוטה לתקוף אותו, והפירוק המהיר של ה- mRNA אינו מותיר לו זמן מספיק לייצור החלבונים החיוניים.

כדי להתמודד עם אתגר זה שילבו שתי החברות במולקולות ה-mRNA שלהן שינויים המחקים שינויים טבעיים המתרחשים בגוף. שינויים אלה אכן מאפשרים למולקולה המלאכותית לשרוד ולפעול זמן מספיק כדי ליצר את החלבון מהנגיף.

לדברי פרופ’ ערבה, “הקשר בין ה-mRNA ליצירת החלבון הוא תהליך שמעסיק אותנו כבר הרבה שנים, ואנחנו מתמקדים בהשפעת ה- mRNAעל בניית החלבונים ועל יציבותם. אנחנו מנסים להבין את ה’שיחה’ שבה אומר ה- mRNAלריבוזום מה לייצר עבור התא. את המחקר הבסיסי אנו עורכים על שמר ההנצה (Saccharomyces cerevisiae), המוכר לנו גם כשמר האפייה, ויש לנו בסיס טוב להניח שמה שקורה בשמר רלוונטי מאוד למה שקורה בגוף האדם.”

במאמר קודם, שפורסם ביולי 2019 בכתב העת PLOS Biology, הציגו לוי ופרופ’ ערבה תפקיד חדש לאנזימים מסוימים הנפוצים בכל ממלכות החיים. החוקרים גילו כי אנזימים אלה מהווים גורמי בקרה משמעותיים בייצור החלבונים – תפקיד שלא היה ידוע עד לפרסום אותו מאמר. כדי למלא תפקיד זה נקשרים אנזימים אלה ל-mRNA ומווסתים את כמות מולקולות ה- mRNA הזמינה לריבוזום.

הדוקטורנט עפרי לוי

במחקר הנוכחי העמיקו לוי ופרופ’ ערבה בשאלה כיצד מזהים אותם אנזימים את ה-mRNA בתוך בליל מרכיבי התא. הם גילו כי התשובה טמונה בשינוי כימי ייחודי ב-mRNA. שינוי זה, הנקרא פסאודויורידין (Pseudouridine), נוצר במקומות שונים על ה-mRNA; גורמי בקרה מזהים את השינוי הזה ומתזמנים את פעילות הריבוזום בהתאם.

כדי להוכיח את חשיבות השינוי האמור פיתחו החוקרים שיטה המבוססת על CRISPR/Cas9, שאיפשרה להם לסלק את הפסאודויורידין באופן “כירורגי” ללא שום פגיעה אחרת בתאים. ואכן, בהעדר פסאודויורידין אבדה הבקרה על ייצור החלבון. לדברי לוי, “כמו הרבה מדענים בעולם, גם אנחנו חייבים תודה עצומה לפרופ’ עמנואל שרפנטייה ולפרופ’ ג’ניפר דאודנה על פריצת הדרך הדרמטית של פיתוח טכנולוגיית CRISPR/Cas9.”

שרפנטייה ודאודנה קיבלו את פרס הארווי מטעם הטכניון ב-3 בנובמבר 2019 ושנה לאחר מכן, ב-10 בדצמבר 2020, הוענק להן פרס נובל בכימיה על פיתוח הטכנולוגיה המהפכנית המאפשרת לערוך, לתקן ולשכתב את הדי-אן-איי. טכנולוגיה זו, אומר לוי, “איפשרה לנו להתקדם במחקר שלנו במהירות ובדיוק חסרי תקדים.”

חוקרי הטכניון מעריכים כי מדובר במנגנון שמור אבולוציונית המתקיים בכל עולם החי. מאחר שמנגנון זה רגיש לשינויים בסביבה, הוא מספק למולקולות ה- mRNAהנחיות המותאמות למצב הסביבתי וכך מוביל את הריבוזום לייצור אופטימלי של חלבונים.

כאמור, אחת המשימות החשובות שעמדה בפני החברות פייזר ומודרנה הייתה שיפור פעילות ה-mRNA המלאכותי בגוף האדם, ולכן הן הכניסו ל-mRNA “החיסוני” שינוי שדומה מאוד לפסאודויורידין. “אנחנו עדיין לא יודעים אם גורמי הבקרה שגילינו יודעים לזהות גם את השינוי הקיים ב-mRNA המלאכותי,” אומר פרופ’ ערבה. “אם הם אכן יודעים, זה עשוי לפתוח אפשרויות נוספות לשיפור פעילות ה-mRNA ולייצור כמויות חלבון גדולות יותר.”

מעבר למחקר הנוכחי ולהשלכותיו, אומר פרופ’ ערבה, “התגלית שלנו ממחישה את חשיבותו של המחקר הבסיסי בפיתוחם של טיפולים רפואיים מתוחכמים ושל חיסונים חדשניים. הציבור והתקשורת צמאים בעיקר לפרסומים על פיתוחים ועל מדע יישומי, אבל בלי תשתית חזקה ורחבה של מחקר בסיסי – בכיוונים שלא תמיד ברור האופק היישומי שלהם – לא היינו רואים פריצות דרך דרמטיות כל כך באבחון, בטיפול ובחיסונים כמו גם בתחומי חיים שמחוץ לעולם הרפואה.”

המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF). עופרי לוי הוא זוכה מלגת ג’ייקובס לסטודנטים מצטיינים.

למאמר המלא ב– Nucleic Acids Research לחצו כאן

בתרשים: משמאל: החיסונים. חיסוני mRNA מבוססים על החדרת mRNA מלאכותי לתוך תאים כדי שישמש תבנית לבניית החלבון הנגיפי שיפעיל את מערכת החיסון. זמן קצר לאחר כניסתן של מולקולות ה- mRNA לתא הן מתחילות להתניע את ייצורם של החלבונים החיסוניים הנדרשים לתא. mRNA מכיל מספר שינויים כימיים, שמשפרים את פעילותו בתא.
מימין: המנגנון הטבעי. המחקר המתפרסם ב-Nucleic Acids Research מראה כיצד שינויים כימיים דומים, הקיימים באופן טבעי ב-mRNA, משמשים כאתרי קישור לגורמי בקרה. קישור זה משפיע על פעילותו של הריבוזום וכך מאפשר ייצור חלבונים בכמויות מדויקות יותר ובהתאם לצורכי האורגניזם.