כל האורגניזמים -; מפטריות ועד יונקים -; בעלי יכולת להתפתח ולהסתגל לסביבתם. אבל וירוסים הם מחליפים צורה עם יכולת מוטציה גדולה יותר מכל אורגניזם אחר. כתוצאה מכך, הם יכולים להתחמק מטיפולים או לרכוש עמידות לתרופות אנטי-ויראליות שפעם היו יעילות.
בעבודה עם נגיף הרפס סימפלקס (HSV), מחקר חדש בראשות חוקרי בית הספר לרפואה של הרווארד שופך אור על אחת הדרכים שבהן הנגיף הופך עמיד לטיפול, בעיה שעלולה להיות מאתגרת במיוחד בקרב אנשים עם תפקוד חיסוני נפגע, כולל אלה המקבלים טיפול מדכא מערכת החיסון ואלו שנולדו עם ליקויים חיסוניים.
באמצעות טכניקת הדמיה מתוחכמת הנקראת מיקרוסקופיה אלקטרונית קריוגנית (cryo-EM), החוקרים מצאו כי האופן שבו חלקים מחלבון האחראים לשכפול ויראלי עוברים למיקומים שונים יכולים לשנות את רגישותו של הנגיף לתרופות.
הממצאים, שפורסמו ב-27 באוגוסט ב תָאענו על שאלות ארוכות שנים לגבי מדוע וירוסים מסוימים, אך לא אחרים, רגישים לתרופות אנטי-ויראליות וכיצד הוירוסים הופכים אטומים לתרופות. התוצאות עשויות לספק גישות חדשות המונעות את יכולתם של הנגיפים לעלות על טיפולים יעילים.
תוצאות מנוגדות לאינטואיציה
חוקרים מכירים זה מכבר שינויים המתרחשים בחלקים של נגיף שבו תרופות אנטי-ויראליות נקשרות אליו יכולות להפוך אותו לעמיד לטיפול. עם זאת, חוקרי HMS גילו שלהפתעתם הרבה, זה לא היה המקרה עם HSV.
במקום זאת, החוקרים גילו שמוטציות חלבון הקשורות לעמידות לתרופות נובעות לעיתים רחוקות ממיקום היעד של התרופה. מוטציות אלו כרוכות בשינויים המשנים את תנועותיו של חלבון ויראלי, או אנזים, המאפשר לנגיף לשכפל את עצמו. זה מעלה את האפשרות ששימוש בתרופות כדי לחסום או להקפיא את השינויים הקונפורמטיביים של חלבונים ויראליים אלה יכול להיות אסטרטגיה מוצלחת להתגבר על עמידות לתרופות.
הממצאים שלנו מראים שעלינו לחשוב מעבר להתמקדות באתרי הקישור האופייניים לתרופות. זה באמת עוזר לנו לראות את העמידות לתרופות באור חדש".
יונתן אברהם, סופר בכיר לימודי ופרופסור חבר, מיקרוביולוגיה, מכון בלווטניק, בית הספר לרפואה בהרווארד
הממצאים החדשים מניעים את ההבנה כיצד שינויים במבנה של חלבון ויראלי -; או שינויים באופן שבו החלקים השונים בתוך אותו חלבון נעים כאשר הוא מבצע את תפקידו -; דלק עמידות לתרופות ועשוי להיות רלוונטי להבנת יעילות התרופה ועמידות לתרופות בנגיפים אחרים, ציינו החוקרים.
HSV, שעל פי ההערכות משפיע על מיליארדי אנשים ברחבי העולם, ידוע לרוב כגורם לפצעי קור ושלפוחיות חום, אך הוא יכול גם להוביל לדלקות עיניים חמורות, דלקות מוחיות ונזק לכבד אצל אנשים עם חסינות נפגעת. בנוסף, HSV יכול להיות מועבר מאם לתינוק דרך תעלת הלידה במהלך הלידה ולגרום לזיהומים מסכני חיים.
רמזים על התנגדות המושרשים במבנה ובתנועה
וירוס לא יכול לשכפל בעצמו. לשם כך, וירוסים חייבים להיכנס לתא מארח, שם הם משחררים את כלי השכפול שלהם -; חלבונים הנקראים פולימראזות -; לעשות עותקים של עצמם.
המחקר הנוכחי התמקד בחלבון אחד כזה -; פולימראז DNA ויראלי -; חיוני ליכולתו של HSV להתרבות ולהפיץ את עצמה. היכולת לבצע את תפקידה נעוצה במבנה של פולימראז ה-DNA, לעתים קרובות דומה ליד בעלת שלושה חלקים: כף היד, האגודל והאצבעות, כל אחד ממלא תפקידים קריטיים.
בהתחשב בתפקידם לאפשר שכפול, פולימראזות אלו הן מטרות קריטיות של תרופות אנטי-ויראליות, שמטרתן לעצור את הנגיף מלהתרבות את עצמו ולעצור את התפשטות הזיהום. פולימראז HSV הוא היעד של acyclovir, התרופה האנטי-ויראלית המובילה לטיפול בזיהום HSV, ושל foscarnet, תרופת קו שני המשמשת לזיהומים עמידים לתרופות. שתי התרופות פועלות על ידי מיקוד לפולימראז הנגיפי אך עושות זאת בדרכים שונות.
מדענים נאבקו זמן רב כדי להבין עד תום כיצד שינויים בפולימראז הופכים את הנגיף לבלתי חדיר למינונים נורמליים של תרופות אנטי-ויראליות, ובאופן רחב יותר, מדוע אציקלוביר ופוסקרנט לא תמיד יעילים נגד הצורות המשתנות של פולימראז HSV.
"במהלך השנים, נקבעו המבנים של פולימראזות רבות מאורגניזמים שונים, אך עדיין איננו מבינים היטב מה הופך פולימראזות מסוימות, אך לא אחרות, לרגישות לתרופות מסוימות", אמר אברהם. "המחקר שלנו מגלה שהאופן שבו החלקים השונים של הפולימראזות נעים, הידוע בתור הדינמיקה הקונפורמטיבית שלהם, הוא מרכיב קריטי ברגישות היחסית שלהם לתרופות."
חלבונים, כולל פולימראזות, אינם עצמים נוקשים וחסרי תנועה. במקום זאת, הם גמישים ודינמיים. מורכבים מחומצות אמינו, הם בתחילה מתקפלים לצורה תלת מימדית יציבה המכונה הקונפורמציה המקורית -; מבנה הבסיס שלהם. אך כתוצאה מכוחות חיבור ופיזור שונים, החלקים השונים של חלבונים יכולים לנוע כאשר הם באים במגע עם רכיבים תאיים אחרים וכן באמצעות השפעות חיצוניות, כגון שינויים ב-pH או בטמפרטורה. לדוגמה, האצבעות של חלבון פולימראז יכולות להיפתח ולהיסגר, וכך גם אצבעות יד.
דינמיקה קונפורמטיבית -; היכולת של חלקים שונים של חלבון לנוע -; לאפשר להם לנהל ביעילות פונקציות חיוניות רבות עם מספר מוגבל של מרכיבים. הבנה טובה יותר של הדינמיקה הקונפורמטיבית של פולימראז היא הקשר החסר בין מבנים ותפקודים, כולל האם חלבון מגיב לתרופה והאם הוא עלול להפוך עמיד בפניה בהמשך הדרך.
פותרים את התעלומה
מחקרים מבניים רבים לכדו פולימראזות DNA בקונפורמציות שונות. עם זאת, חסרה הבנה מפורטת של ההשפעה של הדינמיקה הקונפורמטיבית של פולימראז על עמידות לתרופות. כדי לפתור את החידה, החוקרים ביצעו סדרה של ניסויים, תוך התמקדות בשני קונפורמציות פולימראז נפוצות -; אחד פתוח וסגור -; כדי לקבוע כיצד כל אחד מהם משפיע על רגישות לתרופות.
ראשית, באמצעות cryo-EM, הם ביצעו ניתוח מבני כדי לקבל הדמיות ברזולוציה גבוהה של המבנים האטומיים של פולימראז HSV בקונפורמציות מרובות, כמו גם כאשר הם קשורים לתרופות האנטי-ויראליות acyclovir ו-foscarnet. המבנים הקשורים לתרופה חשפו כיצד שתי התרופות קושרות באופן סלקטיבי פולימרים המאמצים ביתר קלות מבנה אחד לעומת אחר. אחת התרופות, foscarnet, פועלת על ידי לכידת אצבעות ה-DNA פולימראז כך שהן נתקעות בתצורה סגורה כביכול.
יתרה מכך, ניתוח מבני בשילוב עם הדמיות חישוביות העלו כי מספר מוטציות המרוחקות מאתרי הקישור לתרופות מעניקות עמידות אנטי-ויראלית על ידי שינוי המיקום של אצבעות הפולימראז האחראיות לסגירה על התרופה כדי לעצור את שכפול ה-DNA.
הממצא היה טוויסט בלתי צפוי. עד כה, מדענים האמינו שפולימראזות נסגרות חלקית רק כשהן מחוברות ל-DNA ונסגרות במלואן רק כשהוסיפו אבן בניין של DNA, דאוקסינוקלאוטיד. עם זאת, מסתבר שפולימראז HSV יכול להיסגר לחלוטין רק על ידי היותו ליד DNA. זה מקל על acyclovir ו-foscarnet להיצמד ולעצור את הפולימראז מלפעול, ובכך לעצור את השכפול הנגיפי.
"עבדתי על עמידות לפולימראז HSV ועמידות לאציקלוביר. אז חשבתי שמוטציות עמידות יעזרו לנו להבין כיצד הפולימראז מזהה תכונות של המולקולות הטבעיות שהתרופות מחקות", אמר מחבר המחקר דונלד קון, פרופסור של כימיה ביולוגית ופרמקולוגיה מולקולרית ב-HMS. "אני שמח שהעבודה הזו מראה שטעיתי ולבסוף נותנת לנו לפחות סיבה ברורה אחת מדוע פולימראז HSV מעוכב באופן סלקטיבי על ידי התרופה."
