תאים הם חללים מבוקרים מאוד המסתמכים על כך שכל חלבון נמצא במקום הנכון. מחלות רבות, כולל סרטן והפרעות נוירודגנרטיביות, קשורות לחלבונים שלא במקומם. בסוגי סרטן מסוימים, למשל, חלבון שעומד בדרך כלל על ה-DNA המשתכפל בגרעין נשלח הרחק מה-DNA שהוא נועד לנטר, ומאפשר לסרטן לצמוח.
סטיבן בניק, עוזר פרופסור לכימיה בבית הספר למדעי הרוח והמדעים וחוקר מכון ב-Sarafan ChEM-H באוניברסיטת סטנפורד, והמעבדה שלו פיתחו שיטה חדשה כדי לעזור להכריח חלבונים שלא במקומם לחזור לבתיהם המתאימים בתוך התאים. השיטה כוללת חיווט מחדש של הפעילות של מעבורות טבעיות כדי לסייע בהעברת חלבונים לחלקים שונים של התא. הצוות הגה מחלקה חדשה של מולקולות הנקראות "מולקולות ממוקדות מחדש של מיקום מחדש" או TRAMs המשכנעות את המעבורות הטבעיות הללו לקחת מטענים שונים – כמו החלבונים שמיוצאים מהגרעין בכמה סוגי סרטן – יחד לנסיעה. פורסם ב טֶבַע ב-18 בספטמבר, אסטרטגיה זו עשויה להוביל לתרופה לתיקון חוסר המיקום של החלבון הקשור למחלות, וגם ליצירת פונקציות חדשות בתאים.
"אנחנו לוקחים חלבונים שאבדו ומחזירים אותם הביתה", אמר בניק.
הסעות ונוסעים
התאים שלנו מכילים תאים רבים, כמו הגרעין, הבית המאובטח של ה-DNA, או המיטוכונדריה, שם מופקת אנרגיה. בין כל התאים הללו נמצאת הציטופלזמה. בכל המקומות הרבים של התא נמצאים חלבונים. הם אחראים לכל מיני פעולות – בנייה ושבירה של מולקולות, כיווץ שרירים, שליחת אותות – אבל כדי שהם יתפקדו כראוי, הם צריכים לעשות את הפעולות שלהם במקום הנכון.
תאים הם מקומות צפופים באמת. חלבונים זורמים בקהל העובר ליד כל מיני מולקולות אחרות כמו RNA, שומנים, חלבונים אחרים. אז תפקידו של חלבון מוגבל על ידי מה שהוא יכול לעשות ועל ידי הקרבה שלו למולקולות אחרות."
סטיבן בניק, עוזר פרופסור לכימיה בבית הספר למדעי הרוח והמדעים וחוקר מכון ב-Sarafan ChEM-H באוניברסיטת סטנפורד
מחלות לפעמים ינצלו את הצורך הזה בקירבה על ידי מוטציה של חלבונים שאחרת היו יכולים להגן על התא מפני נזק. סוגים כאלה של מוטציות הם כמו לשים את הכתובת הלא נכונה על האריזה, להערים על חלבונים להגיע לאן שלא היו מגיעים לעולם בתאים בריאים.
לפעמים, תנועה זו גורמת לחלבון להפסיק לפעול לחלוטין. חלבונים הפועלים על דנ"א, למשל, לא ימצאו שום DNA בציטופלזמה ויצופו בלי לעשות כלום. פעמים אחרות, תנועה זו מובילה לחלבון להפוך לשחקן רע. ב-ALS, למשל, מוטציה שולחת חלבון מסוים, הנקרא FUS, אל מחוץ לגרעין אל הציטופלזמה, שם הוא מתקבץ לגושים רעילים ובסופו של דבר הורג את התא.
בניק וצוותו תהו האם הם יכולים להילחם בחוסר המיקום המכוון הזה של חלבונים על ידי שימוש בחלבונים אחרים כמעבורות כדי לשאת חלבוני נוסעים לביתם המתאים. אבל למעבורות האלה יש לעתים קרובות פונקציות אחרות, כך שהצוות יצטרך לשכנע את המעבורת לקחת על עצמו מטען ולהעביר אותו למקום חדש.
לשם כך, בניק וצוותו פיתחו סוג חדש של מולקולה דו-ראשית הנקראת TRAM. ראש אחד נועד להיצמד למעבורת, והשני נועד להיצמד לנוסע. אם המעבורת חזקה מספיק, היא תוביל את הנוסע למקומו הראוי.
יחד לנסיעה
הצוות התמקד בשני סוגים מבטיחים של מעבורות, אחת שגוררת חלבונים לגרעין, ואחרת שמייצאת חלבונים מהגרעין. כריסטין נג, סטודנטית לתואר שני בכימיה ומחברת ראשונה על העיתון, עיצבה ובנתה רכבי TRAM שמתחברים יחד למעבורת ונוסע. אם נוסע בציטופלזמה היה מגיע לגרעין, הם היו יודעים שה-TRAM שלהם עבד.
האתגר הראשון היה מיידי: לא היו שיטות אמינות למדידת כמות החלבון במיקום ספציפי בתאים בודדים. אז Ng פיתחה שיטה חדשה לכמת את הכמות והמיקום של חלבוני נוסעים בתוך תא בזמן נתון. כימאית בהכשרתה, היא הייתה צריכה ללמוד מיומנויות חדשות של מיקרוסקופיה וניתוח חישובי כדי לעשות זאת.
"הטבע הוא מטבעו מורכב ומקושר זה לזה, ולכן חיוני לקבל גישות בין-תחומיות", אמר נג. "השאלת היגיון או כלים מתחום אחד כדי לטפל בבעיה בתחום אחר מביאה לעיתים קרובות לשאלות ותגליות מרגשות מאוד של 'מה אם'".
לאחר מכן, היא העמידה אותו במבחן. ה-TRAM שלה העבירו בהצלחה חלבוני נוסעים אל תוך הגרעין והחוצה ממנו, בהתאם למעבורת שבה השתמשו. הניסויים המוקדמים האלה עזרו לה ליצור כמה "כללים" בסיסיים לעיצוב, כמו כמה חזקה צריכה להיות מעבורת כדי להתגבר על נטייתו של הנוסע למשוך לכיוון אחר.
האתגר הבא היה האם הם יכולים לעצב TRAMs שיכולים להיות תרופות, כאלה שיהפכו את תנועת החלבון הגורמת למחלות. ראשית, הם יצרו TRAM שימקם מחדש את FUS, החלבון שנשלח מהגרעין ויוצר גרגירים מסוכנים בחולי ALS. לאחר טיפול בתאים עם ה-TRAM שלהם, הצוות ראה שה-FUS הועבר בחזרה לביתו הטבעי בגרעין, ושהגושים הרעילים פחתו והתאים נוטים פחות למות.
לאחר מכן הם הפנו את תשומת לבם למוטציה ידועה בעכברים שהופכת אותם לעמידים יותר בפני ניוון עצבי. המוטציה, שנחקרה על ידי בן בארס המנוח ואחרים, גורמת לחלבון מסוים להתרחק מהגרעין במורד האקסון בנוירונים.
הצוות תהה אם הם יכולים לבנות TRAM שיחקה את האפקט המגן של המוטציה, וייקח את החלבון לסיבוב עד לקצה האקסון. ה-TRAM שלהם לא רק הזיז את חלבון המטרה במורד האקסון, אלא גם הפך את התא לעמיד יותר בפני מתח המחקה ניוון עצבי.
בכל הדוגמאות הללו, הצוות התמודד עם אתגר מתמשך: תכנון ראש מיקוד הנוסעים של TRAM הוא קשה מכיוון שמדענים עדיין לא זיהו את כל המולקולות האפשריות שיכולות להיקשר לנוסעי היעד שלהם. כדי לעקוף את זה, הצוות השתמש בכלים גנטיים כדי להתקין תג דביק על הנוסעים הללו. עם זאת, בעתיד הם מקווים שהם יוכלו למצוא חלקים דביקים המופיעים באופן טבעי על הנוסעים הללו, ולפתח TRAM לסוגים חדשים של תרופות.
למרות שהם התמקדו בשתי מעבורות, השיטה ניתנת להכללה על כל מעבורות אחרות, כמו אלה שדוחפות דברים אל פני התא, שם מתרחשת תקשורת עם תאים אחרים.
ומעבר לשליחת חלבונים שעברו מוטציה חזרה למקום שבו הם שייכים, הצוות גם מקווה שניתן להשתמש ב-TRAMs כדי לשלוח חלבונים בריאים לחלקים בתא שהם לא יכולים לגשת אליהם בדרך כלל, וליצור פונקציות חדשות שעדיין לא יודעים שהן אפשריות.
"זה מרגש כי אנחנו רק מתחילים ללמוד את הכללים", אמר בניק. "אם נעביר את האיזון, אם לחלבון תהיה פתאום גישה למולקולות חדשות בחלק חדש של התא בזמן חדש, מה זה יעשה? אילו פונקציות נוכל לפתוח? איזו פיסת ביולוגיה חדשה נוכל להבין?"
