דופמין, חומר כימי ונוירוטרנסמיטר רב עוצמה במוח, הוא מווסת מפתח של פונקציות חשובות רבות כמו קשב, חווית הנאה ותגמול ותיאום תנועה. המוח מווסת בחוזקה את הייצור, השחרור, השבתה והאותות של דופמין באמצעות שורה של גנים שזהותם והקשר שלהם למחלות אנושיות ממשיכות להתרחב.
הפרעות מוח הקשורות לאיתות שונה של דופמין כוללות הפרעת שימוש בחומרים, הפרעת קשב וריכוז (ADHD), אוטיזם, הפרעה דו קוטבית, סכיזופרניה ומחלת פרקינסון. המורכבות של המוח האנושי וההפרעות הקשורות לדופמין עודדו חוקרים רבים לחפש תובנות מאורגניזמים פשוטים יותר שהגנים שלהם דומים לאלה המצויים בבני אדם ושם ניתן למצוא הזדמנויות לתובנות גנטיות למחלות בצורה יעילה וזולה יותר.
בעזרת תולעת זעירה ושקופה בשם Caenorhabditis elegans, חוקרים מאוניברסיטת פלורידה אטלנטיק זיהו שחקנים חדשים בתחום איתות דופמין על ידי ניצול פלטפורמה רבת עוצמה שנוצרה באמצעות פרויקט מיליון מוטציות (MMP) לזיהוי מהיר של גנים מוטנטים המבוססים על ההשפעה התפקודית שלהם.
המשאב המרכזי של ה-MMP הוא אוסף של 2,007 זני תולעים הנושאים מוטציות גנים הנגרמות כימית. הגנום של כל זן עבר רצף מלא, המידע הועבר לארכיון ונגיש דרך האינטרנט, ועם כל הזנים זמינים לשימוש מחקר. בסך הכל, אוסף MMP או "הספרייה" מכיל יותר מ-800,000 שינויים גנטיים ייחודיים. בממוצע, לכל גן בגנום של התולעת יש כשמונה מוטציות שונות שמשנות את החלבון המיוצר, ומציעות הזדמנויות מרובות לקשר בין הפרעה לגנים לשינויים בפיזיולוגיה ובהתנהגות.
פנינו ל-C. elegans כדי להבהיר בצורה יעילה יותר את הבסיסים הגנטיים, המולקולריים והתאיים של איתות עצבי מאשר במודלים של מכרסמים. מסתבר שהחלבונים המעורבים בוויסות הדופמין ב-C. elegans נשמרים מאוד לאורך האבולוציה, מה שמרמז שלקחים שנלמדו מאורגניזם פשוט יותר עם 'מוח' פשוט בהרבה יכולים לספק רמזים להפרעות הקשורות לדופמין או כיצד לטפל בהן טוב יותר".
רנדי ד' בלייקלי, Ph.D., סופר בכיר, מנכ"ל מכון המוח של FAU Stiles-Nicholson Brain Institute, הפרופסור המובחן במדעי המוח של דיוויד JS ניקולסון ופרופסור למדע ביו-רפואי במכללת שמידט לרפואה של FAU
לפני כמעט 20 שנה, הצוות של בלייקלי זיהה שינוי התנהגותי עמוק בתולעים כאשר איתות דופמין משתנה המכונה שיתוק המושרה בשחייה (Swip).
"מצאנו שחוסר יכולת להגביל את פעולות הדופמין מוביל לתולעים לקפוא תוך דקות ספורות כשהן מונחות במים, בעוד שתולעים רגילות ילחצו עד 60 דקות או יותר", אמר בלייקלי.
כדי למצוא גנים חדשים המעורבים באיתות דופמין, אוסאמה רפאי, Ph.D., מחבר ראשון ופרופסור לשעבר למחקר; פיטר רודריגז הבן, מחבר שותף וסטודנט לתואר שני; ו-Zayna Gichi, מחברת שותפה ועוזרת מחקר, כולם במעבדת בלייקלי, בדקו 300 שורות בספריית MMP כדי למצוא תולעים שהראו התנהגות Swip. הם השתמשו בחוסם איתותים של דופמין כדי לראות אם התולעים יכולות לחזור לשחות, ובכך לוודא שעודף איתות דופמין היה הגורם ל-Swip שלהם. מאותה נקודה, כשהמוטציות של הזן הזה כבר ממופה לגנים ספציפיים, הקבוצה יכולה לנוע מהר מאוד לזהות את הגן שהשינוי שלו גרם לשיתוק.
התוצאות של מאמץ זה, שדווחו ב- כתב עת לנוירוכימיהכללו מוטציות חדשות בגן התולעת המקודד לטרנספורטר הדופמין (dat-1), שמתפקד לשאוב את הדופמין מסינפסות לאחר השחרור, וששימש בעבר לזיהוי הפנוטיפ של Swip.
"למרות שמציאת מוטציות ב-dat-1, גן שכבר ידענו עליו לא השיג את מטרתנו, הממצא הזה נתן לנו ביטחון שהמסך שלנו עובד כמתוכנן, ושתגליות עשויות להיות לפנינו בגנום המוטציה של האחר שלנו. החלק קווים," אמר בלייקלי.
ואכן, סקר Swip נוסף גילה גן מפתיע שהמוטציה שלו יצרה Swip בתולעים ובבני אדם, מובילה להפרעה גנטית נדירה הידועה בשם Bardet-Biedl Syndrome (BBS). מוטציות ב-BBS נוצרות במספר חלבונים שיחד מתפקדים כקומפלקס חלבון גדול יותר המכונה BBSome. בהתאם למתחם חלבון גדול יותר בעבודה, הצוות של בלייקלי מצא שמוטציות בכל ההומולוגיות של BBSome של תולעים יצרו Swip.
ידוע שהקומפלקס של חלבוני BBSome ממלא תפקיד מכריע בהובלת חלבונים ושומנים בתוך התא, ובאופן בולט לתוספות דמויות שיער זעירות המוחזקות על ידי תאים רבים המכונים ריסים ראשוניים. לנוירוני הדופמין של התולעת יש ריסים ראשוניים המאפשרים לתולעת לחוש על ידי מגע בעולם הסובב אותם.
במהלך השנים האחרונות, מדענים גילו שלרבים אם לא כל הנוירונים במוח היונקים יש ריסים ראשוניים שגם יכולים לווסת את איתות התא. לפי בלייקלי, חלבוני BBSome פועלים ומבטיחים שהבליטות הללו נושאות את המספר והסוגים הנכונים של תעלות וקולטנים שיגדירו את היכולות לאיתות התא.
"התוצאות שלנו מצביעות על כך שאובדן של BBS-1 בנוירונים של דופמין תולעים גורם לאיתות עודף על ידי הנוירוטרנסמיטר, הידוע כמעכב נוירונים מוטוריים השולטים בתנועה. מנגנון אחד שאנו שוקלים כרוך בתפקיד של BBS-1 וחלבוני BBSome אחרים בליווי נתונים -1 חלבון מקודד למשטח התא כדי לשמור על רמות דופמין חוץ-תאי נמוכות ובכך לא לאפשר כיבוי מוחלט של התנועה", אמר בלייקלי. "אכן, במסך מוקדם יותר, זיהינו גן אחר שהמוטציה שלו פועלת בדיוק כך, וגילינו שביטוי יתר של הגן הזה במוטנט ה-BBS-1 שלנו הציל התנהגות שחייה מלאה".
במחקרים קודמים, בלייקלי וצוותו השתמשו במוטגנזה כימית כדי לשנות את הגנום של תולעים כדי למצוא מוטציות של Swip. למרות שבמאמצים אלה לקח לקבוצה שישה חודשים או יותר לזהות את "המחט בערימת השחת" האמיתית, ציד אחר שינוי בסיס DNA בודד בין המיליונים המרכיבים את גנום התולעת.
"בהשוואה למאמצי הסקר הקודמים שלנו, הגישה המבוססת על MMP אפשרה לנו שיפור מהירות משמעותי. במקום למפות ולרצף כדי לזהות את המוטציות בזן, יכולנו פשוט לחפש את המוטציות הידועות בשורה הזו ואז לצמצם את הגן האשם. על ידי בדיקת מועמדים ספציפיים באופן ישיר וכמעט מיידי", אמר בלייקלי.
באמצעות ספריית MMP, החוקרים הצליחו לסנן יותר מ-23,000 מוטציות נוקלאוטידים בודדות על פני 300 זני MMP ולמנות גנים מועמדים תוך מספר ימים לאחר זיהוי קו המראה Swip תלוי דופמין. מאמץ הסקר ההתנהגותי הראשוני של החוקרים כיסה כ-15% מספריית ה-MMP והביא לזיהוי של 10 זנים, שתשעה מהם נמצאים כעת בתור לזיהוי גנים חדשים.
"בהתחשב בהשפעה הרפואית המשמעותית של שינוי איתות דופמין בהפרעות נוירו-התנהגותיות מרובות, מחקרים נוספים על האופן שבו חלבוני BBSome מווסתים את מעביר הדופמין עשויים להוביל לאסטרטגיות חדשות לטיפול", אמר בלייקלי.
