הנגיפים ששינו את שפת ה-DNA

לפני יותר מארבעים שנה  גילו חוקרים נגיף בעל הרכב DNA חדש ומיוחד, שלא נמצא אצל אף יצור חי אחר. כעת, חוקרים מכמה מוסדות מחקר שונים פענחו כיצד נוצר ההרכב המיוחד הזה, ואיך הנגיף מצליח לשכפל אותו. הם גם מצאו עוד עשרות נגיפים בעלי הרכב DNA דומה. מלבד העניין המדעי, המחקרים יאפשרו פיתוחים ביוטכנולוגיים חדשניים ברפואה, בתעשיית המזון ועוד.

נגיפים הם יצורים טפיליים, שאינם יכולים להתקיים ולהתרבות מחוץ לתא מאכסן. הם קטנים מאוד, וכוללים לא הרבה יותר מפיסת חומר גנטי, DNA או RNA, ומעטפת. כדי לייצר עוד עותקים שלהם הם משתמשים בחלבונים ובמנגנונים של התא אליו הם פולשים. במהלך האבולוציה התפתחה "מלחמת חימוש" בין מערכות החיסון של היצורים המאכסנים, המנסות למנוע הדבקה בנגיף, מצד אחד, לבין מנגנוני ההתחמקות של הנגיפים מן הצד האחר. 

בקטריופאג'ים (bacteriophages, "אוכלי חיידקים", או פאג'ים בקיצור) הם נגיפים שמדביקים חיידקים. בשנת 1977 התגלה פאג' שזכה לשם הקליט S-2L, והחוקרים מצאו כי ל-DNA של הפאג' – החומר התורשתי שלו – יש הרכב מיוחד ושונה משל כל יצור אחר שהיה ידוע עד אז. החוקרים העניקו להרכב זה את השם "Z-DNA". במשך עשרות שנים, נשאר הפאג' הזה היצור היחיד המוכר שהיה ידוע שיש לו Z-DNA, והחוקרים לא ידעו כיצד הוא נוצר. כעת, שלוש קבוצות מחקר פענחו את המנגנון המולקולרי שיוצר אותו – ומצאו עוד עשרות נגיפים בעלי Z-DNA. 

בקטריופאג'ים הם נגיפים שמדביקים חיידקים. אילוסטרציה של פאג' על גבי חיידק, מזריק לתוכו את החומר הגנטי שלו (בסגול) | Keith Chambers, Science Photo Library

אז מה זה Z-DNA?

ה-DNA של כל היצורים החיים מורכב מרצף, המכונה גם "שרשרת" או "גדיל", של אבני בניין הנקראות נוקלאוטידים. יש ארבעה סוגים של אבני בניין כאלה: אדנין (adenine), המכונה בקיצור A, תימין (thymine), המכונה T, ציטוזין (cytosine או C) וגואנין (guanine או G). מולקולת DNA בנויה משתי שרשרות כאלו, זו מול זו, שיוצרות את המבנה הדו-גדילי המפורסם של ה-DNA. שתי השרשרות נשארות צמודות זו לזו הודות לקשרים כימיים חלשים שנוצרים בין אבני הבניין – הנוקלאוטידים – הנמצאות במקומות המקבילים בשתי השרשרות. שתי השרשרות, או הגדילים, שבכל מולקולת DNA בנויות מרצפים משלימים: אם בעמדה מסוימת באחד הגדילים מופיעה יחידת A, בעמדה המתאימה בגדיל הנגדי תימצא תמיד יחידת T, ולהפך. בדומה לכך, יחידת G נמצאת תמיד מול יחידת C. הקשר בין C ל-G חזק יותר מאשר בין A ל-T, ושני סוגי הקשרים הללו, והכמויות היחסיות שלהם, מקנים ל-DNA את תכונותיו הביוכימיות והפיזיקליות האופייניות. כלומר, כך זה אצל כמעט כל היצורים החיים. אבל לפאג' S-2L אין A. במקום זה יש לו מולקולה אחרת בשם 2-אמינואדנין, שאותה מציינים באות Z.

ה-DNA של יצורים רבים אינו מורכב אך ורק מיחידות A, T, C ו-G "נקיות", אלא גם מיחידות כאלה שעוברות מגוון של שינויים כימיים קטנים. שינויים כאלה מועילים בדרכים שונות. חיידקים מייצרים קבוצת חלבונים הנקראים אנזימי הגבלה(רסטריקציה), שחותכים והורסים DNA של פאג'ים שחדרו לתוך תא החיידק; כדי להגן על ה-DNA שלהם-עצמם מפני החלבונים האלה, החיידקים מסמנים אותו בהוספת מעין "תג כימי" למולקולות ציטוזין (C) ב-DNA. אצל בעלי חיים, תוספות של תגים כאלו משמשות למטרה אחרת: הם מסמנים את ה-DNA כדי שבכל תא רק הגנים הנחוצים יבואו לידי ביטוי, וכך חלבונים שונים יווצרו בתאים שונים. אותם תגים גם משמשים בתורשה אפיגנטית - תורשה שאינה תלויה ברצף אבני הבניין של ה-DNA. 

אך בכל הדוגמאות הללו, התכונות הבסיסיות של ה-DNA אינן משתנות. Z-DNA, לעומת זאת, הוא מולקולה אחרת ושונה, כי הקשר בין Z ל-T הוא חזק כמו הקשר בין G ל-C, חזק יותר מהקשר המקורי החלש יחסית בין A ל-T. לפיכך התכונות הפיזיקליות של DNA כזה, כגון גמישות, יציבות ואלסטיות, הן שונות. מבחינה ביולוגית, אחת המשמעויות העיקריות של Z-DNA אצל הנגיף היא שהוא מוגן מפני אנזימי ההגבלה שהזכרנו: החלבונים האלה חותכים והורסים DNA של פאג'ים שיש בו אדנין, אך אינם מסוגלים לחתוך Z-DNA.

הקשר בין Z ל-T (למעלה) כולל שלושה קשרים, לעומת שניים בין A ל-T, ולכן הוא חזק יותר | ויקיפדיה, Yikrazuul, Magnus Manske

אבל איך זה קורה?

אם כן, הבנו מה זה Z-DNA ומה התועלת שהוא מביא לפאג'; אבל עד היום לא היה ברור כיצד הפאג' מייצר מולקולות Z ואיך הוא משכפל את ה-DNA שמכיל אותן - הרי הוא משתמש בחלבונים של התא, שרגילים ל-DNA עם אדנין. החוקרים פיליפ מרליה (Marlière) ופייר קמינסקי (Kaminski) מצרפת וקבוצות המחקר שלהם שפכו אור על התעלומה הזאת, ופרסמו בכתב העת Science שני מחקרים על מנגנון שכפול ה-Z-DNA. במחקר הראשון, החוקרים מצאו שבנגיף קיים גן לחלבון בשם PurZ, המייצר את הנוקלאוטיד Z; זאת לעומת החלבון PurA שנמצא אצל כל שאר היצורים החיים, ומייצר את הנוקלאוטיד אדנין. החוקרים בדקו את הרצפים הגנטיים של כל הנגיפים הידועים ומצאו 60 פאג'ים המצוידים בגן ל-PurZ, ממצא שמרמז כי גם החומר התורשתי של הפאג'ים האלה הוא Z-DNA. בשלב הבא הם פענחו את המבנה המולקולרי של החלבון הזה, ואת התהליך הכימי שהחלבון משתתף בו בתהליך הייצור של Z.

במאמרם השני, מרליה וקמינסקי חקרו כיצד Z מחליף את A ב-DNA של הפאג', אך לא ב-DNA של החיידק המאכסן. שכפול DNA מתבצע באמצעות חלבון הנקרא DNA פולימראז. החוקרים שיערו שלנגיפים יש DNA פולימראז שיודע להבדיל בין A ל-Z ולהשתמש רק ב-Z, אך בפאג' S-2L הם לא מצאו חלבון כזה. לפיכך הם השוו את הגנומים של כלל 60 הפאג'ים שיש להם PurZ, בתקווה לגלות אצל חלקם DNA פולימראז שיודע להבדיל בין הנוקליאוטידים. ואכן, אצל כל הפאג'ים למעט S-2L נמצא סמוך למיקום של הגן ל-PurZ בגנום גן נוסף, אשר מייצר חלבון הדומה ל-DNA פולימראז של חיידקים. החוקרים קראו לחלבון זה בשם DpoZ. כדי לבדוק אם החלבון שהתגלה אכן מבחין בין A ל-Z, הם ביצעו ניסוי של שכפול DNA במבחנה. המבחנה הכילה דוגמת DNA לשכפול, את החלבון החיידקי הרגיל או את החלבון הנגיפי יוצא הדופן, וכן את הנוקלאוטיד A או Z. והנה, בעוד שה-DNA פולימראז של חיידק לא הבחין בין A ל-Z ושכפל את ה-DNA בכל מקרה, החלבון הנגיפי שכפל את ה-DNA רק כאשר החוקרים סיפקו לו מולקולות Z, כלומר, הוא אכן ספציפי ל-Z בלבד, כפי שציפו החוקרים. הניסוי הראה אפוא כי חלבון זה אכן עשוי לאפשר לפאג'ים בעלי Z-DNA לשכפל DNA עם העדפה ל-Z.

שיתוף פעולה של שלוש קבוצות מחקר נוספות, בהובלת הומין ז'או (Zhao), יאנג ז'אנג (Zhang) וסוון ז'או (Zhao) מסין, הוביל למחקר שלישי על נגיפי Z-DNA, שפורסם במקביל באותה מהדורה של Science. מחקר זה העמיק את הבנתנו לגבי תהליך יצירת Z, וכיצד חלבונים שונים של הפאג' משתמשים בו, ונמנעים משימוש ב-A, כדי להשתכפל בתאי החיידקים. בנוסף, במחקר זה החוקרים הצליחו לזהות את ה-DNA פולימראז של S-2L, וכך פתרו את התעלומה כיצד פאג' זה משתכפל.

שכפול DNA מתבצע באמצעות חלבון הנקרא DNA פולימראז. אילוסטרציה של DNA פולימראז, בצהוב, בונה גדיל נוסף של DNA, בירוק, על פי הגדיל הקיים, הוורוד | Research Visualized, Science Photo Library 

בדרך לחייזרים ורובוטים

הממצאים החדשים מעוררים תקוות לשפע יישומים מועילים. אחת האפשרויות שנפתחו היא לנצל את מנגנון עמידות הפאג'ים שהתגלה כאן כדי לפתח פאג'ים כנגד חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה. טיפולים כאלה כבר נוסו בהצלחה בכמה מקרים, והשימוש בפאג'ים מהונדסים בעלי Z-DNA עשוי לייעל אותם. 

ל-Z-DNA עשויים להיות גם שימושים אחרים, בייחוד בתחומי הביוטכנולוגיה והביולוגיה המלאכותית. חוקרים כבר מהנדסים כיום חיידקים מלאכותיים אשר משתמשים בחומצות אמיניות לא שגרתיות, וכן כאלו אשר משתמשים בנוקלאוטידים יוצאי דופן. תחום המחקר של "DNA אוריגמי" משמש לייצור ננו-רובוטים ממולקולות DNA מקופלות. השימוש ב-Z-DNA, על התכונות הפיזיקליות המיוחדות שלו, עשוי לתרום לפיתוחים בתחום זה. 

גם תחום האסטרוביולוגיה – חקר הביולוגיה החוץ-ארצית – ירוויח מהמחקר החדש. מולקולות של נוקליאוטיד Z נמצאו במטאוריטים, יחד עם מולקולות של נוקלאוטידים אחרים. החיפוש אחר חיים על כוכבי לכת אחרים, וגם המחקר של ראשית החיים על כדור הארץ, עשוי להתרחב ולכלול מגוון נרחב יותר של מולקולות DNA ושל מנגנונים ביולוגיים בסיסיים שאולי היו קיימים כאן בעבר הרחוק, או שנוצרו באבולוציה מחוץ לכדור הארץ.

כך, ממצא על פאג' אזוטרי עם DNA מוזר פותח עתה פתח לעולם שלם של מחקרים ופיתוחים טכנולוגיים.