הוראות החיים כתובות בדנ"א, אבל האנזים RNA פולימראז II (Pol II) הוא זה שקורא את התסריט, משעתוק RNA בתאים איקריוטיים ובסופו של דבר מוליד חלבונים. מדענים יודעים ש-Pol II חייב לקדם את הגן בסנכרון מושלם עם תהליכים ביולוגיים אחרים; סטיות בתנועה של אנזים זה נקשרו לסרטן ולהזדקנות. אבל מכשולים טכניים מנעו מהם לקבוע במדויק כיצד המכונה המולקולרית החשובה הזו נעה לאורך ה-DNA, ומה שולט בהפוגות ובהאצות שלה.
מחקר חדש משלים רבים מאותם פערי ידע. במאמר שפורסם ב טבע ביולוגיה מבנית ומולקולריתחוקרים השתמשו בפלטפורמה של מולקולה אחת כדי לצפות בתסביכי שעתוק בודדים של יונקים בפעולה. התוצאה היא ראייה ברורה של האופן שבו המנוע המולקולרי הזה מאיץ, עוצר ומעביר הילוך בזמן שהוא מתמלל מידע גנטי.
מה שבאמת מדהים הוא כיצד המכונה הזו מתפקדת כמעט כמו מכונית מכווננת היטב. יש לו המקבילה של מספר הילוכים, או מצבי מהירות, כל אחד נשלט על ידי קשירה של חלבונים רגולטוריים שונים. הבנו, בפעם הראשונה, איך כל הילוך נשלט".
Shixin Liu, ראש המעבדה לביופיזיקה וביוכימיה ננומטרית
"סוף סוף אנחנו רואים איפה נמצא פול השני, בזמן ובמרחב, במהלך התהליך", מוסיף ג'ואל א' כהן, ראש מעבדת האוכלוסיות. "הפלטפורמה שלנו אפשרה לנו להעריך באופן אובייקטיבי מתי המכונה הזו מעבירה הילוך, וכמה מהר היא נוסעת".
כלי חדש מספק תשובות חדשות
התגלה לראשונה לפני יותר מחמישים שנה על ידי רוברט רודר של רוקפלר, Pol II נע שלב אחר שלב לאורך מולקולת ה-DNA, בונה גדיל RNA תואם שבסופו של דבר יוליד חלבונים. אבל פול II אינו נוסע לאורך ה-DNA בקליפ יציב, במיוחד באורגניזמים גבוהים יותר כמו בני אדם.
לאחר התחלתו, הוא מאט ולעיתים קרובות נעצר סמוך לתחילתו של גן לפני שחלבונים מווסתים כגון P-TEFb ו-PAF1C דוחפים אותו למצב שעתוק מהיר. כשהוא מתקרב לקצה הגן, האנזים מאטה שוב כדי לסיים בצורה נקייה. קצב זה הוא מכריע: מהיר מדי או איטי מדי, ולא ניתן לעבד כראוי מולקולות RNA או לתאם אותם עם אירועים תאיים חיוניים אחרים. צעדים שגויים בבקרת המהירות של Pol II נקשרו להזדקנות ולמספר עצום של מחלות כולל סרטן.
"הרבה אנשים לא מודעים לקישורים האלה. למעשה, אני נשאל לעתים קרובות: כל עוד הוא יכול ליצור RNA ואנחנו יודעים איך הוא עושה את זה, האם באמת אכפת לנו מהמהירות של המכונה, או אם היא מפסיקה?" ליו אומר. "אכפת לנו בדיוק כי אנחנו יודעים שהקינטיקה של התעתוק חשובה לביטוי גנים תקין וקשורה למחלות שונות".
מגבלות טכניות מסבירות רבות מהסיבה שמחקרים קודמים התקשו להאיר באופן חד משמעי כיצד פול II מווסת את תנועתו. טכניקות שמדדו ממוצעים על פני מולקולות רבות טשטשו את התרומות של חלבונים בודדים, בעוד שמחקרים של מולקולה בודדת באורגניזמים פשוטים יותר כמו שמרים לא ייצגו באופן מלא את מנגנוני הרגולציה המורכבים של תאי יונקים. ליו, מומחה בשיטות של מולקולות בודדות, הבין שהוא יכול להתגבר על המחסומים הללו רק על ידי בנייה מחדש של מערכת שעתוק יונקים במבחנה, חלק אחר חלק מחלבונים מטוהרים, ושילובה עם טכניקות הדמיה מתקדמות ואלגוריתמים חישוביים.
הרעיון תפס תאוצה דרך מפגש מקרי עם כהן במתחם המסעדות בס של רוקפלר. "ישבנו יחד, וג'ואל שאל אותי אם אני עובד על משהו מעניין", משחזר ליו. "הצעתי לו את הפרויקט הזה, התחלנו לבחון אותו יחד, ומאז אנחנו משתפים פעולה. אני כל כך שמח שישבנו באותו יום באותו שולחן".
"העבודה שלנו משתפת פעולה על פני דיסציפלינות שונות, שתי המעבדות שלנו, וגם על פני גבולות לאומיים", מוסיף כהן, בהתייחסו למחברים מסין בקבוצה של Yanhui Xu באוניברסיטת פודן שתרמו תרומות קריטיות למחקר. "אם אנחנו רוצים שהמדע ישגשג, אנחנו צריכים להמשיך ולאפשר שיתוף פעולה חוצה גבולות".
תיבת הילוכים מולקולרית
בעבודה משותפת, החוקרים פיתחו פלטפורמה הממזגת ביוכימיה, הדמיה של מולקולה אחת וחישוב כדי לחשוף את פול II בעבודה בפירוט חסר תקדים.
על ידי בנייה מחדש של מנגנון התעתוק חלק אחר חלק מחלבוני יונקים מטוהרים ומעקב אחר תנועתו בזמן אמת – ושימוש במסגרת חישובית ומודלים מבניים כדי לאתר בדיוק מתי האנזים מעביר הילוך – הצוות הראה שכמה חלבונים רגולטוריים מרכזיים שולטים כיצד Pol II נע. P-TEFb, מעין מתג מאסטר, מזרחן גם את Pol II וגם את קומפלקס החלבון, DSIF, כדי לפתוח את מלוא פעילותו. (DSIF התברר כמסובך יותר מהצפוי-בהתאם למצבו, הוא יכול לדחוף את Pol II קדימה או לעכב אותו.) לאחר מכן, החלבון PAF1C הופיע כמאיץ העיקרי של Pol II, והוציא את השעתוק לתנועה ברגע שהוא קושר DNA. החלבון SPT6 שיחק את התפקיד של מייצב, ודאג לכך ש-PAF1C יישאר מחובר היטב כך שהמכונה תוכל להמשיך לפעול בצורה חלקה.
ברגע ש-PAF1C היה במקום, הוא אפשר לגורם נוסף, RTF1, להיקשר. RTF1 סיפק דחיפה נוספת במהירות התמלול והעביר את Pol II להילוך גבוה – צעד שדרש בהחלט PAF1C אך לא DSIF. זה הציע קשר פונקציונלי בין PAF1C, RTF1 ו-DSIF בתאי יונקים שעדיין לא נראה בשמרים, מה שמדגיש את התחכום האבולוציוני של המערכת.
"זו הפעם הראשונה שהצלחנו לראות את היונק פול II זז במהירות פיזיולוגית בזמן אמת, ומכיוון שסימנו את גורמי ההתארכות השונים, הצלחנו גם למדוד את קינטיקה הקישורית שלהם במהלך שעתוק פעיל", אומר יוקון וואנג, עמית בתר-דוקטורט במעבדת ליו. "לפעמים, לראות זה להבין. הכוח של הדמיה בזמן אמת היא שאתה באמת יכול לראות את המולקולה – אתה יכול לצפות וללמוד."
הממצאים גם שופכים אור על האופן שבו שיבושים בבקרה זו עשויים לתרום לסרטן ולהזדקנות על ידי מתן תובנה חדשה לגבי גורמים כמו P-TEFb, הנחשבת למטרה תרופתית מבטיחה ללוקמיה וגידולים מוצקים.
"P-TEFb הוכח שקשה לשמצה לעיכוב ללא תופעות לוואי רעילות", אומר ליו. "העבודה שלנו עשויה להציע רמזים לתכנון טיפולים ספציפיים יותר. במקביל, תובנה כיצד מווסת פול II דרך כל אחד מהשלבים בתאים בריאים אמורה לתת לנו הבנה רחבה עוד יותר של מה יכול להשתבש במחלה".
אולם ההשפעה הגדולה ביותר של המחקר עשויה להיות הפלטפורמה עצמה. על ידי הוכחה שהדמיה של מולקולה בודדת אפשרית במערכת יונקים משוחזרת לחלוטין, החוקרים יצרו כלי שניתן להשתמש בו כעת כדי להתמודד עם שאלות ארוכות שנים בביולוגיה. העבודה כבר מתבצעת לשיפור הפלטפורמה על ידי הוספת נוקלאוזומים – היחידות הבסיסיות של אריזת DNA בכרומוזומים אוקריוטיים – כדי להבין טוב יותר כיצד Pol II עובר דרך תבניות הדומות יותר לסביבתו הטבעית.
והיישומים הפוטנציאליים עבור הרכיב החישובי של הפלטפורמה עשויים גם הם להיות מרחיקי לכת. "כל דבר שכרוך בניווט בחלל ושינויים במהירות עשוי להשתמש בתוכנה הזו." אומר כהן.
