האבולוציה המתמדת של מערכת החיסון

חוקרי הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט מראים במאמרם כיצד התפתח במערכת החיסון “מרחב התפתחותי” המאפשר לה להסתגל במהירות לשינויים בסביבה

מאמר שפרסמו חוקרי הטכניון במגזין המדעי היוקרתי Nature מציג תובנות חדשות על האבולוציה של מערכת החיסון. ממצאי המחקר מצביעים על מודולריות וגמישות כתכונות מהותיות באבולוציה של מערכות מורכבות דוגמת מערכת החיסון. ממצאים אלה מבוססים על סריקת הגנום של 60 בעלי חוליות שונים שחיו בטווח זמן של 600 מיליון שנה.  את המחקר הובילו חוקרי הפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט פרופ’ שי שן-אור, ד”ר טניה דובוביק והפוסט-דוקטורנט ד”ר מרטין לוקצ’ישין, בשיתוף הקריה הרפואית לבריאות האדם רמב”ם ואוניברסיטת קרנגי מלון.

מימין לשמאל:
ד”ר טניה דובוביק, פרופ’ שי שן-אור, ד”ר אלינה סטרוסבצקי וד”ר מרטין לוקצ’ישין

מערכת החיסון היא מערכת מורכבת המגינה על האורגניזם מפני נגיפים, זיהומים וגורמים עוינים אחרים. היא בנויה מתאי חיסון מסוגים שונים, שלכל אחד מהם תפקידים ייעודיים משלו. תאים אלה פועלים יחד כדי לספק את ההגנה הדרושה לגוף. האינטראקציה בין מערכת החיסון לסביבה המשתנה ללא הרף מצריכה שינוי בלתי פוסק של מערכת החיסון, כלומר אבולוציה מתמדת שלה.  האבולוציה, בתיאור כללי, פירושה הסתגלות לשינויים בסביבה באמצעות שינויים גנטיים אקראיים (מוטציות) וברירה טבעית. כך מתפתחות כל המערכות בעולם החי ובהן מערכת החיסון.

הגנים במערכת החיסון, בעיקר ביונקים ובציפורים, מתפתחים במהירות רבה יחסית לגנים אחרים בגנום. עובדה זו משקפת את חשיבותה של מערכת החיסון בהסתגלות לשינויי הסביבה הן במצבי חולי והן בשגרה. למרות זאת, הדינמיקה האבולוציונית של מערכת החיסון לא נחקרה לעומקה עד כה, וזאת במידה רבה עקב מורכבותה של מערכת זאת; מערכת החיסון מאופיינת בשונות גבוהה בין פרטים, ולכן נהוג לחקור אותה בחיות מעבדה הנמצאות בסביבה נקייה ונטולת נגיפים וחיידקים – תנאי גידול שמובילים במתכוון לכך שהפרופיל הגנטי של העכברים השונים אחיד. 

חוקרי הטכניון השתמשו במודל ייחודי של עכברים ששונותם הגנטית גבוהה כך שהיא מדמה את השונות הקיימת בין בני אדם. באמצעות מודל זה מדדו החוקרים את השונות החיסונית בין העכברים השונים ואיתרו את הגנים השולטים בשכיחותו של כל סוג תא.

ידוע שגנים משפיעים על תאים, ועל האורגניזם כולו, באמצעות ביטוי גנטי (Gene expression): המידע המקודד בגן “מתורגם” למולקולות בעלות תפקידים שונים. נהוג להניח, וכך הדבר במקרים רבים, שהגנים משפיעים על התאים שהם מבוטאים בהם – הם מכוונים תהליכים בסיסיים כגון חלוקת התא, נדידתו ומותו.

במרכז מאמרם של חוקרים הטכניון מוצג גילוי דרמטי: סדרה של גנים המשפיעים על תאים שאותם גנים אינם מבוטאים בהם. במילים אחרות, מדובר בגנים המבוטאים בסוגי תאים מסוימים אך משפיעים על סוגי תאים אחרים.

החוקרים מראים במאמרם כי סדרת הגנים הייחודית שהם גילו מאופיינת בשכיחות-מוטציות גבוהה יותר. לדבריהם, שכיחות גבוהה זו מייצרת “מרחב התפתחותי” שבו נוצרת שונות בין-תאית גבוהה, החיונית להתאמת האורגניזם לסביבה, וזאת בלי לחולל נזק משמעותי. 

לדברי פרופ’ שי שן-אור, “אחת ההשלכות החשובות של הממצאים שלנו היא שיכולתה של מערכת החיסון להשתנות ולפתח יכולות חדשות תלויה באינטראקציה בין סוגי תאים שונים יותר מאשר באינטראקציה בין תאים מאותו סוג. גילויים אלה מספקים לנו הבנה לאופן התפתחותן של מערכות מודולריות מורכבות. מודולריות כזאת אומנם נצפתה בעבר בהקשר של גנים וחלבונים המפתחים יכולות חדשות, אולם היא מעולם לא נחקרה במערכות רשתיות מורכבות דוגמת האינטראקציה הבין-תאית במערכת החיסון.

להערכת החוקרים, מחקרי המשך הקשורים לכושר-ההתפתחות של מערכת החיסון לא רק ישפכו אור על המנגנונים שמאחורי תגובות חיסוניות אלא גם יסייעו בפיתוח פתרונות ביומימטיים (הנדסה בהשראת הטבע), למשל מערכות מלאכותיות מורכבות (system-of-systems) שגם הן, בדומה למערכת החיסון, מושתתות  על השפעות גומלין בין יחידות פונקציונליות.

המחקר נתמך בנדיבות על ידי קרן המדע הישראלית (ISF), קרן אפלבאום, קרן מילגרום, קרן המחקר ע”ש קולק, מרכז ברוך ורות רפפורט לחקר הסרטן בטכניון ומלגת אלי קאופמן.

פרופ’ שי שן-אור הוא חבר סגל בפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט, ראש המעבדה לאימונולוגיה מערכתית ורפואה מותאמת אישית, מדען ראשי ומייסד שותף בחברת סייטוריזן, ראש Tech-AI.BioMed  (הזרוע הרפואית של המרכז לבינה מלאכותית בטכניון) וראש מכון זימין בטכניון. 

למאמר ב-Nature – לחצו כאן