חוקרים פענחו מנגנון הגנה מורכב שמפעילים חיידקים נגד נגיפים. במסגרתו החיידק יוצר לעצמו גֵן חדש ש"מכבה" את פעילות החיידק וכך לא מאפשר לנגיף להתרבות בתוכו
כמו כל היצורים החיים, גם החיידקים פיתחו מנגנוני הגנה נגד נגיפים, וליתר דיוק נגד בקטריופאג'ים – נגיפים שמדביקים חיידקים. המנגנונים הראשונים שהתגלו אצל חיידקים היו אנזימי הגבלה, שיודעים לחתוך DNA זר. לפני קצת יותר מעשור נחשפה גם מערכת החיסון הנרכשת של החיידקים, שמכונה קריספר (Crispr) ויש לה יישומים מרחיקי לכת בתחום ההנדסה הגנטית. בשנים האחרונות גילו חוקרים עוד עשרות מנגנוני הגנה חיידקיים. נכון לעכשיו מוכרות כ-150 מערכות שונות, ועוד היד נטויה, אולם עדיין לא ברור איך רובן פועלות. במחקר חדש נמצא שמנגנון הגנה בשם DRT2 מוביל ליצירת גֵן חדש, שמרדים את החיידק הנגוע וכך מונע מהנגיפים להתרבות.
מנגנוני ההגנה הראשונים שהתגלו אצל חיידקים היו אנזימי הגבלה, שיודעים לחתוך DNA זר. נכון לעכשיו מוכרות כ-150 מערכות שונות. אילוסטרציה של פעולות אנזימי ההגבלה בחיידק מודבק בנגיף | Gunilla Elam / Science Photo Library
מ-RNA ל-DNA
השם DRT הוא ראשי תיבות של Defense-associated Reverse Transcriptase, כלומר מנגנון הגנה שקשור לאנזים רוורס טרנקריפטאז (RT). תפקידו של האנזים הזה הוא לשחזר את רצף ה-DNA שעל פיו נבנתה מולקולת RNA. על חשיבות התהליך מעידה העובדה שמגליו, הווארד טמין (Temin) ודיוויד בולטימור (Baltimore), זכו על כך בפרס נובל עוד ב-1975. אצל חיידקים מוכרות לנו כיום תשע מערכות DRT שונות להגנה מנגיפים. ניסויים הראו שפגיעה בפעילות האנזים משבשת את יכולת ההגנה הזו, אך עד כה לא היה ברור איך המערכות הללו מגינות על החיידקים.
במעבדה של סמואל שטרנברג (Sternberg) מאוניברסיטת קולומביה בניו יורק בחרו לחקור את מנגנון ההגנה DRT2 של החיידק קלבסיאלה פנאומוניה (Klebsiella pneumonia) – חיידק מסוכן לבני אדם שעלול לחולל דלקת קרום המוח, דלקת ריאות, אלח דם ועוד. נכון לעכשיו המחקר פורסם רק בארכיון המאמרים bioRxiv, ולא עמד עדיין לבחינה מדוקדקת של מומחים (ביקורת עמיתים).
החוקרים בחנו את מנגנון ההגנה DRT2 של החיידק קלבסיאלה פנאומוניה. החיידק (בסגול) בתוך תא של מערכת החיסון (באדום) | National Institutes of Health / Science Photo Library
שכפול מתגלגל
ראשית בדקו החוקרים מהן המולקולות שהאנזים יוצר מהן DNA, וגילו שיש רק אחת כזאת: מולקולת RNA שמורכבת מ-281 בסיסים, אבני הבניין של ה-RNA וגם ה-DNA. האנזים יוצר DNA שהוא עותק חלקי בלבד שלה, ובו 119 בסיסים. בעוד שהמערכת פועלת ברמה בסיסית כל הזמן, בעקבות התקפה של נגיפים על החיידק, היא יוצרת את אותו עותק DNA בכמויות גדולות.
בניסויים נוספים גילו החוקרים להפתעתם של-DNA של חיידקים שהודבקו בנגיף נוסף לא רק עותק אחד של הקוד הגנטי הזה, אלא חזרות מרובות על אותו רצף בסיסים, שמופיע שוב ושוב בשרשרת ארוכה, עד ארבעים פעם. התברר שמולקולת ה-RNA שהאנזים מעתיק מתכנסת למבנה מעגלי, כך שכשהאנזים מסיים להעתיק את הרצף הוא מדלג מחדש לנקודת ההתחלה ובונה מחדש את אותו רצף, במעין מעגל מתגלגל של שכפול מתמשך. בכל חזרה כזאת האנזים מוסיף עוד בסיס אחד לרצף, כך שהאורך של כל יחידה הוא 120 בסיסים במקום 119. הפער הזעיר הזה משמעותי להמשך התהליך.
מתברר שהתוספת הזאת מספיקה כדי לגרום למקטע ה-DNA החדש לייצר מולקולת RNA שונה מזאת שממנה הוא עצמו נוצר. כלומר, מה-RNA המקורי נוצר עותק DNA מקוצר, וממנו נוצרים שוב עותקי RNA אחרים. בעקבות זאת שיערו החוקרים שהמולקולות החדשות משמשות לייצור חלבון, בניגוד למולקולת ה-RNA הארוכה המקורית. כפי שציפו, ה-RNA אכן שימש לבניית חלבון בתוך תא החיידק. אם נעשו שינויים ברצף הגנטי הרלוונטי שפגמו בייצור החלבון, כלומר הוכנסו בו מוטציות, החיידקים לא היו מוגנים מהנגיף. מכאן הסיקו החוקרים שהחלבון – שקיבל את השם ניאו (Neo) – מגן על החיידקים מתקיפת נגיפים. תמיכה נוספת התקבלה מכך שהחלבון נמצא רק בתאים שהודבקו בנגיפים, ושבחיידקים שהודבקו הופעל חלבון שסייע בבניית חלבונים ממולקולות ה-RNA החדשות שנוצרו.
האנזים יוצר מולקולת DNA, שהיא עותק חלקי של מולקולת ה-RNA המשמשת כתבנית. אילוסטרציה של אנזים רוורס טרנקריפטאז בונה מולקולת DNA (בירוק וכתום) | Laguna Design / Science Photo Library
השאלה העיקרית שעוד נותרה פתוחה היא מה החלבון ניאו עושה, ואיך הוא מגן על החיידקים. אף שהמנגנון המולקולרי עצמו אינו ברור עדיין, החוקרים מצאו שאצל החיידקים הללו הופעל חלבון שמפריע לתא לייצר חלבונים חדשים, כולל אלה שהנגיף מנסה לייצר כדי להתרבות. בנוסף, נראה שניאו מפחית את פעילות חילוף החומרים של החיידקים, וכך מכניס אותם למעין תנומה כפויה. אותה פעילות נצפתה גם כשהכניסו לתאי החיידקים, באמצעות הנדסה גנטית, את הגֵן לניאו בנפרד ממערכת DRT2, בתנאי שהוא כלל לפחות שלושה עותקים רצופים של המקטע בן 120 הבסיסים. כלומר, נראה שהמערכת פועלת כמנגנון הגנה רק כשיש שכפול מתגלגל של רצף הבסיסים.
לבסוף, חיפוש במאגרי מידע גנטי איתר 400 מיני חיידקים לפחות שיש להם מנגנון DRT2 דומה.
ממצאי המחקר חושפים, אם כן, דרך מאוד מסובכת שהתפתחה אצל חיידקים לייצור חלבון רעיל עבורם. החוקרים משערים שהמנגנון הזה נוצר משום שדי בכמות זעירה שלו כדי להביא את החיידקים למצב רדום. זו למעשה הפעם הראשונה שמתואר ייצור של גֵנים וחלבונים בטבע בצורה שכוללת מעבר הלוך ושוב בין RNA ל-DNA. מכיוון שבגוף האדם לבדו יש עשרות אלפי מולקולות RNA שאינן משמשות באופן ישיר לייצור חלבונים, נשאלת השאלה אם ייתכן שקיימים אצלנו מנגנונים דומים, שמשנים אותן לצורה שבה הן כן יפיקו חלבונים. ולבסוף, מציאת מנגנון הפעולה של ניאו עשויה לסייע בפיתוח תרופות חדשות נגד חיידק הקלבסיאלה, שכבר כיום מראה עמידות לתרופות אנטיביוטיות רבות.
