חדשות

שפה מולקולרית: כיצד מתורגם המידע האצור ב-DNA לחלבונים בתא

חוקרים בטכניון פענחו את מנגנון העל המפקח על התהליך הרב שלבי של ייצור חלבונים על סמך הקוד הגנטי

פרופ' מרדכי חודר, ראש המעבדה למיקרוביולוגיה מולקולרית בטכניון. צילום: דוברות הטכניון

מנגנון העל המפקח על התהליך הרב שלבי של תרגום המידע, האצור ב-DNA, לחלבונים בתא, פוענח על ידי צוות חוקרים מהפקולטה לרפואה בטכניון. דיווח על המחקר התפרסם בכתב העת Cell Reports. את העבודה הובילו ראש המעבדה למיקרוביולוגיה מולקולרית פרופ' מרדכי חודר וד"ר סטפן ריצ'רד.

פרופ' חודר: "לכל תא בגופנו יש DNA בעל רצף נוקלאוטידים כמעט זהה ועדיין רקמות שונות, כגון שריר, עצם ועור, נבנות ומתפקדות בדרכים שונות. הכיצד? התשובה לכך טמונה בבקרת הביטוי הגנטי שניתן להמשיל אותה לאפליקציה המשמיעה את המוזיקה הרצויה מתוך הדיסק של ה-DNA. כך, על אף שה-DNA אכן כמעט זהה בכל התאים והוא מתבטא בדרכים שונות הנקבעות על ידי מנגנון הבקרה הקובע אילו גנים יבוטאו בתא הספציפי".

מנגנון זה פועל בחמישה שלבים: האחד - ייצור RNA בשעתוק (transcription). מנגנון זה משתמש בתבנית ה-DNA שהיא תבנית ארוכה מאוד, כשני מטרים, המכילה את כל הגנים שלנו, בוחר גן מסוים ומייצר ממנו RNA. ה-RNA מיוצר מתבנית של גן בודד ולכן הוא קצר בהרבה מה-DNA ומקודד בדרך כלל לחלבון אחד בלבד.

 איור: ד״ר תהילה מגד-בוק

המתווך (Rpb4/7) קולט ומעביר מסרים בין מרכיבי בקרת הביטוי הגנטי באמצעות מולקולות קטנות המהוות שפה מולקולרית בעלת ״אוצר מילים״ עשיר ומגוון. איור: ד״ר תהילה מגד-בוק

השלב השני, שלב העיבוד – ה-RNA עובר שינויים שונים המייצרים את ה-RNA שליח (mRNA). השלב השלישי, הנדידה – תהליך שבו עובר ה-mRNA מגרעין התא שבו התרחשו השלבים הקודמים, לציטופלזמה (Cytoplasm) הכוללת את כל פנים התא, מלבד הגרעין.

עם כניסתו לציטופלזמה בשלב הרביעי, מזוהה ה-mRNA על ידי הריבוזום, ה"מפעל" לייצור החלבונים בתא. הוא משתמש בו כתבנית ליצירת החלבונים. בסופו של השלב הזה ה-DNA של גן בודד מוביל לייצור חלבון שרצף חומצות האמינו שלו נקבע על ידי רצף הבסיסים של ה-DNA וזאת בתיווכו של ה-RNA. החלבונים, אולי כדאי להזכיר, הם "החיילים העיקריים" במערכה הפיזיולוגית, כלומר אלה שעוסקים בבניית הרקמות ובתפקודן בבריאות ובחולי. השלב החמישי הוא פירוק ה-mRNA.

"כל אחד מהשלבים הללו", מדגיש פרופ' חודר, "מתנהל תחת מערכת בקרה הבנויה מפקטורים ייעודיים המוציאים את התהליך לפועל ומוודאים את תקינותו. עם זאת, במשך שנים רבות לא היה ברור איזה מנגנון מפקח, 'ממעוף הציפור' - על התהליך כולו. ומדוע זה חשוב? כי מדובר בתהליך קריטי המשפיע על תהליכים תאיים, על אינטראקציות תוך-תאיות וחוץ-תאיות ועוד. כדי לבטא גן באופן נכון, חשוב שכל השלבים יהיו מתואמים ביניהם.

"ב-15 השנים האחרונות במעבדה שלי אני מתמקד במה שניתן לכנות כ-processomics – קונספט שעושה זום-אאוט לתהליכים מולקולריים וכך מרחיב את המבט מהשלבים הבדידים – השיעתוק, התרגום וכן הלאה – למכלול התהליך".

המחקר המתמשך הזה, הנערך בשמרים מסוג S. cerevisiae, הניב כמה גילויים דרמטיים ובהם גילוי המתווכים, ה-mRNA coordinators,  שעליו התפרסם דו"ח ב-2010 בכתב העת Cell. מתווכים אלה נקשרים ל-RNA ומלווים אותו בכל השלבים שצוינו למעלה.

"באנלוגיה מוזיקלית", מוסיף פרופ' חודר, "המתווך הוא מנצח התזמורת שאחראי על תיאום בין הכלים השונים, כלומר על השלבים השונים, והוא התפתח באבולוציה מאחר ש'זיופים' בתיאום בין השלבים האלה עלולים להיות הרי גורל לאורגניזם".

במאמר הנוכחי עשו החוקרים צעד נוסף ובחנו את ה"שפה" שבה המתווכים מדברים. השפה הזאת, כך מתברר, מורכבת ממולקולות קטנות כדוגמת זרחן, מתיל ואצטיל, הנצמדות לקו-אורדינטור הצמוד ל-mRNA. המולקולות הקטנות אמנם מועטות, אבל יש להן המון צירופים אפשריים וכל צירוף כזה הוא אינפורמציה או פקודה המועברת מהשלב הנוכחי לשלב הבא שעובר ה-mRNA. הכוונה היא להעברה פיזית של ממש: המולקולות האלו נצמדות למתווך, שהוא קומפלקס חלבוני, ויוצרות יחד איתו יחידה אחת בשם mRNA/ coordinator/ small molecule.

"מה מוסרת היחידה הזאת לשלב הבא? במקרה הפשוט היא כאילו מודיעה, הכל בסדר, אפשר להתחיל", מתאר פרופ' חודר, "אבל במקרים יותר מסובכים היא פוקדת 'להאט את הקצב כי חסר משהו', או 'לשלוח את ה-RNA לפירוק כי הבעיה איננה פתירה' וכו'".

מנגנון העל הזה התפתח ונשמר באבולוציה כיוון שהוא מספק לאורגניזם יתרון הישרדותי משמעותי: הוא מאפשר העברת מידע בין השלבים השונים ומצמצם את הטעויות בדרך. "במחקרי ההמשך", מסר פרופ' חודר, "אנחנו מתכוונים לבחון את מעורבות המתווכים בתהליכים נוספים".

נושאים קשורים:  הטכניון,  מחקר,  mRNA,  RNA,  DNA,  פרופ' מרדכי חודר,  חדשות
תגובות
 
15.01.2021, 17:20

מדהים