מהפכת הרנ"א

בקיצור

• שלוש מן המולקולות המורכבות החשובות ביותר ביצורים חיים הן דנ"א, רנ"א וחלבונים. עשרות שנים ייחסו ביולוגים את הפעילות החשובה ביותר בתא לדנ"א ולחלבונים; רנ"א היה בוודאי חשוב אך נחשב כנותן שירותי תמיכה.
• סדרה של תגליות בשלהי המאה ה-20 חשפה כמה צורות של רנ"א בעלות תפקידים פעילים של ויסות בתאים: הן קובעות אילו חלבונים ייווצרו ובאיזו כמות ואפילו משתיקות כמה גנים.
• התובנות החדשות האלה מאפשרות למדענים ליצור עולם חדש של תרופות ניסיוניות נגד חיידקים, נגיפים, סרטן ומחלות כרוניות שונות שיהיו מדויקות ויעילות מן התרופות הזמינות כיום.

מאז גילוי המבנה הדו-גדילי של הדנ"א ב-1953 אופיינו בביולוגיה המולקולרית יותר משתתפים מגיבורי רומן רוסי. ביולוגים זיהו עשרות אלפי מולקולות המכוונות ומעצבות את הכאוס המאורגן השורר בתאי הגוף והפיקו מן הממצאים האלה אלפי תרופות וטיפולים.

במשך עשרות שנים הגיעו כוכבי הדרמה משני מחנות: דנ"א, או חומצה דאוקסי-ריבו-נוקלאית, המשמש מאגר של מידע גנטי שכמעט אינו משתנה לאורך זמן, וחלבונים, המבצעים את מלאכת הכפיים של הגנים. מחקר על חלבונים הביא לידי פריצות דרך רפואיות, כמו אינסולין סינתטי, אינטרפרון ודור חדש של תרופות אנטי-סרטניות, וטיפול גֵני שבו משתמשים בקטעי דנ"א שעברו שינוי סולל את הדרך לפיתוח טיפולים בהמופיליה, בעיוורון תורשתי ובעוד מחלות שקודם לכן לא היה להן פתרון [ראו: המערכה השנייה של הריפוי הגני, ריקי לואיס, סיינטיפיק אמריקן ישראל, יוני-יולי 2014].

ואולם, במצעד ההתקדמות הרפואית נשכחה מולקולה ביולוגית מסוג שלישי: רנ"א, או חומצה ריבו-נוקלאית, שכמו אחותה המפורסמת יותר, היא מכילה מידע גנטי אבל היציבות הכימית שלה נמוכה יותר. לפיכך, אנזימים מפרקים אותה לעתים קרובות בסביבה הכימית הסוערת של התא.

אף שמדענים ידעו זמן רב שרנ"א מעורב בנקודה מסוימת כמעט בכל תהליך תאי, הם ייחסו לו תפקיד משנה בצִלם של הדנ"א והחלבונים. בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20 חשבו הביולוגים שרנ"א הוא כעין בת חורגת המעבירה הודעות, מתאמת אספקה ושומרת באופן כללי על סדר בתאים. דימוי זה נשמר במשך כמה דורות.

ואולם, כל זה היה לפני שמולקולת הרנ"א זכתה למהפך תדמית שהתרחש כבמטה קסם. סדרת תגליות בשלהי המאה ה-20 חשפה צורות חדשות של רנ"א שכלל לא היו מנהלות משק בית צנועות. אדרבה, מולקולות רנ"א ידעו לווסת התנהגות של מולקולות דנ"א ושל חלבונים ולגרום למולקולות מסוימות להגביר או להאט את פעולתן. באמצעות מולקולות רנ"א כאלה מדענים יכולים לנסות ולפתח טיפולים חדשים לסרטן, למחלות זיהומיות ולטווח רחב של מחלות כרוניות.

בעשור האחרון נחפזו מדענים לממש את התגליות החדשות. קצב הגילויים התגבר, הוקמו עשרות חברות הזנק השואפות להפיק תועלת מן הממצאים, ועכשיו רואים באופק גם כמה טיפולים מבטיחים.

בינתיים, העניין הכלכלי התגבר מטפטוף דל לשטף השקעות של מיליארדי דולרים. בעסקאות האחרונות נמנית השקתה של חברת Editas Medicine בסוף 2013, שקיבלה 43 מיליון דולר כהון סיכון. החברה ממקדת את מאמציה בטכנולוגיית הרנ"א ה"חמה" והחדישה ביותר, הידועה כ-CRISPR. חברה ותיקה יותר,Alnylan Pharmaceuticals, שנוסדה ב-2002, קיבלה 700 מיליון דולר בינואר 2014 כדי לפתח, בין השאר, קו של תרופות רנ"א לטיפול במצבים קטלניים של מערכת הדם, במחלות כבד ובהפרעות במערכת החיסון.

המימון מגיע ב"גלים", אומר רוברט מקלאוֹד, סמנכ"ל אונקולוגיה ומחקר בחברת התרופות Isis, שגייסה כ-3.8 מיליארד דולר מאז נוסדה ב-1989. המוצר המוביל שלה, Kynamro, קיבל את אישור מִנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) ב-2013 כתרופת רנ"א לאנשים הסובלים מהפרעה גנטית נדירה המשבשת במידה ניכרת את יכולתם לעבד כולסטרול ומעמידה אותם בסיכון גבוה במיוחד ללקות בהתקף לב או בשבץ מוחי.

כמו בכל תחום שמתפתח במהירות, לאורך הדרך היו כמה מכשולים ומעקפים, ולא כל תגלית תעמוד במבחן הזמן. ובכל זאת החוקרים מסוחררים מהתרגשות. הם חשים כאילו גילו יבשת חדשה והם תרים אותה בחיפוש פריצות דרך אפשריות.

תפקיד תומך

קל להבין מדוע ביולוגים מולקולריים שייכו את תפקידי הכוכבים לדנ"א ולחלבונים ולא לרנ"א. אבני הבניין העיקריות של דנ"א – אדנין, תימין, ציטוזין וגואנין, או A, T, C ו-G – מרכיבות את ספר ההוראות הבסיסי של כמעט כל יצור חי בעולמנו. ואחד התהליכים החשובים ביותר שדנ"א מנהל (באמצעות צופן) הוא יצירת חלבונים.

חלבונים, מצדם, מעצבים את המבנה התלת-ממדי של התאים ומאפשרים להם להוציא לפועל את מרב התפקידים: הם מספקים את רעננותו ומראהו הצעיר של העור ואת חוסנו של הלב לאורך זמן. הם גם מדליקים ומכבים את הדנ"א כתגובה לאותות מן הסביבה, קובעים את הדרך המיטבית לניצול סוכר בתאים ומווסתים את יכולתם של תאי עצב להעביר זה לזה מסרים במוח. רובן המכריע של התרופות כיום, מאספירין עד זולופט, משפיעות על חלבונים, אם בחסימת פעילותם ואם בשינוי הכמות שבה הם נוצרים.

העובדה שרוב התרופות משפיעות על פעילות החלבונים אינה מלמדת בהכרח שחוקרים יכולים לפתח תרופה לכל חלבון מטרה. התרופות השכיחות ביותר הן מולקולות קטנות שיכולות לשרוד את הבליעה ואת המעבר דרך הקיבה החומצית. עם ספיגתן ממערכת העיכול הן חייבות להתאים את עצמן לאתרים הפעילים של חלבוני המטרה כדרך שמפתח מתאים למנעול. ואולם, יש קבוצות מסוימות של חלבונים שגישה מסורתית זו אינה מתאימה להם: כאלה המחביאים את האתר הפעיל שלהם עמוק בתוך תעלות צרות או כאלה שאין להם אתר פעיל מפני שהם חלק מן השלד הפנימי של התאים ולכן הם אינם "נענים לטיפול תרופתי," לדברי מקלאוד.

תרופות הרנ"א החדשות מתוכננות להתגבר בדיוק על המחסום הזה שעד לאחרונה לא היה ברור כיצד אפשר להתגבר עליו. זה זמן רב יודעים ביולוגים שרנ"א משמש כמתווך מוכשר המעתיק, או משעתק, את הוראות הדנ"א לרצף משלים (הוא מתאים C ל-G, לדוגמה) ואז מתרגם את הקוד לחלבונים תלת-ממדיים. רנ"א מן הסוג הזה, המכונה רנ"א שליח (mRNA), נוצר בגרעין ונודד לציטופלזמה, ובה מבנים המכונים ריבוזומים, בשיתוף עם רנ"א מסוג אחר, רנ"א מעביר (tRNA), קוראים את המסר ומחברים חומצות אמיניות (תרכובות המכילות חנקן) לשרשרות ארוכות שהופכות לחלבונים. אבל רנ"א יכול לעשות הרבה יותר מזה.

כוכב נולד

הקרקע לפריצת הדרך של הרנ"א הוכשרה ב-1993 עם זיהוי מולקולות המיקרו-רנ"א הראשונות [ולמדענים שעשו זאת הוענק ביוני 2014 פרס וולף לרפואה במשכן הכנסת בירושלים – העורכים]. מיקרו-רנ"א הם מקטעי רנ"א קצרים באופן לא טיפוסי הנקשרים לגדילי רנ"א שליח ומונעים מן הריבוזומים להתקדם בהרכבת חלבון [ראו תיבה בעמוד הבא]. התאים משתמשים, כפי הנראה, במולקולות מיקרו-רנ"א כדי לתאם את לוחות הזמנים בייצור חלבונים רבים, בעיקר בשלבים מוקדמים בהתפתחות האורגניזם. כעבור חמש שנים הגיעו חוקרים לעוד פריצת דרך כשהראו שמולקולות שונות של רנ"א קצר משתיקות ביעילות את תרגום הגנים לחלבונים באמצעות חיתוך הרנ"א השליח. תגלית זו, שהייתה אבן דרך, זכתה בפרס נובל ב-2006.

בעת ההיא היה נדמה שכולם, ולא רק מומחי רנ"א, מתעניינים בשימוש במולקולה הזאת, שפעם התעלמו ממנה, כדי להשפיע על דרך יצירת חלבונים. תהליך חיתוך רנ"א שליח בידי מקטעי רנ"א קצרים מכונה הפרעה בעזרת רנ"א (RNAi) ומולקולות הרנ"א הפעילות בתהליך מכוּנות בשם רנ"א קצר מפריע (siRNA). כמו כן מגוון רחב של מדענים הבינו שהם יכולים לפתור את בעיית החלבונים שאינם נענים לטיפול תרופתי על ידי הקדמת מוקד הפעילות מן התוצר הסופי, החלבון, אל השלב שבו מעורב הרנ"א בשרשרת התהליכים לייצור החלבונים.

במאגר הנתונים של ממשל ארה"ב לניסויים קליניים רשומים כיום יותר מ-200 מחקרים ניסוייים שעוסקים במיקרו-רנ"א או בsiRNA- ומיועדים לאבחון ולטיפול הנוגעים לכל דבר כמעט, מאוטיזם ועד סרטן העור,. בין המבטיחים בהם: טיפול בנדבקים בנגיף אבולה, המחולל מחלה קטלנית באופן קיצוני, שמומחים לטרור פוחדים שהוא יכול לשמש נשק ביולוגי, ובנגיף הפטיטיס C, הגורם דלקת כבד כרונית בכ-150 מיליון אנשים בעולם והוא הגורם העיקרי לסרטן הכבד [ראו תיבה משמאל ותיבה מעבר לדף].

מה בעתיד?

בשעה שתרופות המכילות מיקרו-רנ"א או siRNA מתקדמות במירוץ למרפאות, דור חדש של כוכבניות ממתין עכשיו לשעת כושר. תרופות עתידיות אלה אמורות לפעול אפילו מוקדם יותר בשרשרת התהליכים, על מולקולת הדנ"א עצמה. אחת הגישות מבוססת על רצפי CRISPR המצויים בחיידקים, והיא כונתה בהתלהבות בכתב העת המדעי סיינס בשם "שיגעון CRISPR". גישה אחרת, המבוססת על מולקולות ארוכות של רנ"א בלתי מקודד (lncRNA), עדיין מעוררת ספקות בדבר התועלת שבה.

רצפי CRISPR הם רצפים מוזרים של מקטעי דנ"א החוזרים על עצמם המצויים בחיידקים וביצורים דמויי חיידקים. הרצפים האלה מקיימים אינטראקציה עם קבוצת חלבונים המשויכת לרצפים האלה, הידועים בשם Cas. רצפי CRISPR וחלבוני Cas למיניהם יוצרים מערכת של הגנה חיידקית מפני נגיפים.

לחלבונים האלה תפקיד אחד: לחתוך את הדנ"א של הנגיף לשניים ולהרוס אותו. גדילים משלימים של רנ"א הם המנְחים את החלבונים אל מטרתם: מקטעים מסוימים של דנ"א נגיפִי. אבל מאין מגיע הרנ"א הזה? כמו בגרסה מיקרוסקופית של ג'ו ג'יטסו, התאים לוקחים את הרנ"א מנגיפים פולשים ויוצרים ממנו סוכן כפול המדריך את חלבוני Cas אל הנקודה המדויקת שבה הם אמורים לחתוך.

אף שרכיבי CRISPR התגלו לראשונה ב-1987 בחיידקים, מדענים התחילו לאמץ את המערכת הזאת למגוון רחב של רקמות בעלי חיים, ובכלל זה בני אדם, רק ב-2012. יצירת רנ"א מדריך במעבדה מאפשרת לחוקרים לכוון חלבוני Cas בדיוק מושלם לאתר הרצוי בגרעין כדי לחתוך את מולקולות הדנ"א. למעשה, הם הסבו את מנגנון ההגנה החיידקי לכלי מדויק לעריכת גנים.

טכנולוגיה מדויקת כל כך יכולה לחולל הפיכה בריפוי גֵני, והדבר עשוי להתרחש מוקדם משסברנו.

כיום יכולים חוקרים רפואיים רק להזריק באקראי דנ"א מתַקן לחולים בעלי גנים פגומים בתקווה שלפחות חלק מן החומר הגנטי ימצא את דרכו ויתחיל לפעול במקום הנכון. פיתוח מלא של טכנולוגיית CRISPR/Cas יכול לשנות את המצב ולאפשר לחוקרים לבחור במדויק היכן לשנות את הדנ"א של החולה. "כבר ב-2015 אנו אמורים לראות כמה ניסויים בשיטת CRISPR," אומר ג'ורג' מ' צ'רץ', פרופסור לגנטיקה בבית הספר לרפואה בהרווארד, שותף בהקמת Editas ויועץ מדעי לסיינטיפיק אמריקן. "השיטה באה, למעשה, מוכנה," הוא מוסיף. "אפשר לקחת אותה מחיידקים כמעט ללא צורך בשינויים. וכמעט כל רנ"א מדריך שנרצה יגיע לאתר שבו הוא פועל. זה מהיר ומאפשר שינויים קבועים בדנ"א."

צ'רץ' מקווה ש- Editasתתקדם לניסויים קליניים מיד אחרי השלמת המחקר בבעלי חיים. לאחרונה הוקמו חברות אחרות שבמרכזן CRISPR, בהן Biosciences Caribou ו-Egenesis.

התגלית השנויה ביותר במחלוקת מבין התגליות האחרונות בתחום הרנ"א קשורה ב-lncRNA. רצפי רנ"א ארוכים אלו, שתוארו לראשונה ב-2002, מגיעים מן הגרעין ובמבט ראשון הם נראו כרנ"א שליח, אבל חסר להם רצף האותיות הדרושות להתחלת תהליך התרגום.

לשם מה התא צריך את כל עודפי הרנ"א האלה? חלק מן הרנ"א הזה נוצר ללא ספק משעתוק גרסאות מוקדמות של גנים שנשברו עם הזמן ואינם מתפקדים עוד. (אחת התגליות המפתיעות ביותר של המהפכה הגנטית היא שכמעט כל הדנ"א המצוי בגרעין משועתק, ולא רק החלקים המקודדים חלבונים.) מקטעי רנ"א אחרים הם כנראה עדות להתקפות מן העבר הרחוק של סוגי נגיפים מסוימים שיכולים לשלב את החומר הגנטי שלהם בדנ"א של התא כדי להעבירו לדורות הבאים שלהם.

אך מה אם חלק מן ה- lncRNAמייצג דרך לוויסות גנים שלא הייתה ידועה קודם לכן, כזאת שאינה דורשת מוטציות בדנ"א העשויות להיות מסוכנות ושאינה תלויה בחלבונים כשחקנים ראשיים? הדנ"א מקופל כמו אוריגמי, אומר ג'ון רין, חוקר רנ"א מאוניברסיטת הרווארד. משתי פיסות נייר זהות אפשר לעשות מטוס או עגור, וייתכן של- lncRNAתפקיד כלשהו בשמירת קיפול הדנ"א בסדר הנכון. וכמו ששגיאה בקיפול האוריגמי יכולה ליצור עגור נייר חסר כנפיים, כך, לדוגמה, ייתכן שעודף lncRNA מעורר סרטן גם אם אין כל מוטציה בגנים של התא.

אפשרות אחרת שנחקרת היא שמולקולות lncRNA יכולות לקשור את עצמן לחלקים שונים של מולקולות הדנ"א, לשנות את המבנה התלת-ממדי שלהן ולחשוף אותן לפעילות או להסתיר אותן.

סוגים רבים נוספים של מולקולות רנ"א שאינן מקודדות עשויים לשמש וסתים גנטיים חשובים, ולחלופין הם עשויים להיות רוחות רפאים גנטיות. אחד הקשיים בחקר מולקולות רנ"א בלתי מקודדות הוא שהן אינן מייצרות חלבונים ולכן קשה יותר להוכיח שהן עושות משהו חשוב. "אני חושב שפשוט מוקדם מדי, זו רק ההתחלה," אומר ג'ון מטיק, חוקר בכיר של מולקולות רנ"א בלתי מקודדות ומנהל מכון גרוון למחקר רפואי באוסטרליה. "עולם חדש מלא מתגלה כאן."

כשמביאים בחשבון את המגוון הרחב של תרכובות רנ"א שתוכננו ונוסו, נראה שהתכונה המושכת ביותר של המולקולות האלה היא פשטותן. שלא כמו חלבונים, שיש לאפיין בדיוק את המבנה התלת-ממדי שלהם כדי לפתח תרופות יעילות, הרנ"א מיסודו מורכב מרצף דו-ממדי (אם מתעלמים כרגע מחלק מן הצורות התלת-ממדיות שמולקולות רנ"א יכולות ליצור). "זה הופך בעיה תלת-ממדית, שבה מולקולה קטנה צריכה להתאים בדיוק נמרץ לאתר בחלבון כמו מפתח למנעול, לבעיה דו-ממדית, לינארית," אומר מקלאוד. בזכות פרויקט הגנום האנושי, חוקרים כבר מכירים את רוב הרצפים החשובים בגנום. כל שהם צריכים לעשות הוא לסנתז את גדיל הרנ"א המשלים, והפגיעה במטרה מובטחת.

מובן שעדיין נדרשים מאמצים כדי להוציא את התכנית מן הכוח אל הפועל, אבל כרגע לפחות מטה הקסם פועל.