כדי למנוע מווירוסים לחלות או להרוג אותנו – בין אם זה מקרה בודד של הפטיטיס B או מגיפת נגיף הקורונה – חיוני להבין כיצד החלבונים שהם מייצרים גורמים לשינויים בגופנו המאפשרים להם לפרוח.
כלי חדש הרחיב באופן ניכר את קנה המידה שבו חוקרים יכולים לחקור את החלבונים הללו, ומבטיח להאיץ גילויים בסיסיים בווירולוגיה, להודיע לפיתוח חיסונים וטיפולים חדשים ולעזור לאנושות להגן מפני פתוגנים מתעוררים.
הכלי, שנקרא ORFeome ויראלי ותואר ב-2 ביולי ב תָאהוא הגדול עד כה מסוגו ומאפשר ניתוח של אלפים רבים של חלבונים ויראליים בניסוי בודד. העיצוב שלו גם מרחיב את הגישה לביולוגים שלא התאמנו בווירולוגיה.
"הספרייה הזו חושפת כיצד וירוסים מתפעלים תאים אנושיים בקנה מידה שפשוט לא היה אפשרי קודם לכן", אמר הסופר הבכיר סטיבן אלדג', פרופסור גרגור מנדל לגנטיקה ולרפואה בבית הספר לרפואה של הרווארד ובבית החולים בריגהם ולנשים, שצוותו הוביל את יצירת הכלי.
אנו מאמינים שזה משנה את הווירולוגיה מחקר וירוס אחד בכל פעם לגילוי האסטרטגיות הנפוצות והחידושים המפתיעים שהווירוסים התפתחו, ומספקים בסיס חדש ועוצמתי להבנת איומים ויראליים מתעוררים."
סטיבן אלדג', פרופסור גרגור מנדל לגנטיקה ולרפואה, בית הספר לרפואה של הרווארד ובית החולים בריגהם ולנשים
ה תָא נייר מראה כיצד הצוות כבר השתמש ב-ORFeome כדי לזהות מאות חלבונים ויראליים המפריעים לתגובה החיסונית. במאמר שני, שפורסם ב-9 ביולי ב מַדָעElledge ועמיתיו מתעמקים בתובנות חדשות שחשפה כיצד הוירוסים חוטפים את מערכות פינוי האשפה של התאים כדי להתחמק מתקפה חיסונית.
הספרייה הגדולה ביותר עד כה של חלבונים ויראליים
ההערכה היא שכמעט 300 סוגים של וירוסים יכולים להזיק לבני אדם. אבל רובם – יחד עם החלבונים שהם מייצרים – אינם נחקרים היטב. מדענים נוטים להתמקד בתת-קבוצה קטנה של וירוסים אלה, לעתים קרובות בגלל שהם משמעותיים מבחינה רפואית (כמו שפעת) או משמשים כמודלים טובים להבנת קבוצות גדולות יותר של וירוסים (כמו כלבת כסטנד-אין לכל נגיף הרבדו).
ה-ORFeome וספריות ORF אחרות דומות לה נקראות על שם מסגרות קריאה פתוחות, המונח הטכני לרצפי DNA המקודדים לחלבונים. ספריות ORF ויראלי קודמות מקבוצות אחרות התמקדו בווירוסים בודדים או במשפחות וירוסים והכילו אולי 100 או 200 רצפים כל אחת, אמרו המחברים. ה-ORFeome החדש מכיל כ-13,000 רצפי DNA פיזיקליים, או מבנים, המקודדים לכ-9,000 חלבונים מ-513 וירוסים שונים, מנגיף האנדים, נגיף אבולה ועד נגיף זיקה.
"רוב הנגיפים מעולם לא נחקרו בפירוט, ובכל זאת האבולוציה כבר ביצעה עבורנו אינספור ניסויים. הספרייה הזו נותנת לנו דרך לקרוא את תוצאות הניסויים הללו ברחבי העולם הוויראלי", אמר אלדג', שהוא גם חוקר במכון הרפואי הווארד יוז.
הנגיפים הכלולים בספרייה נבחרו מכיוון שידוע שהם מדביקים בני אדם או בגלל שהם קרובי משפחה שמדביקים בעלי חיים ועלולים להפוך לאיום על בני אדם.
(ה-ORFeome עצמו אינו מזיק; החלבונים שהוא מכיל אינם יכולים לבנות מחדש אף אחד מהנגיפים המקוריים, לשכפל את עצמם או להדביק תאים. הצוות גם פעל לפי הנחיות פדרליות מחמירות כאשר עבד עם חברת ביוטכנולוגיה לסנתז את רצפי ה-DNA.
"זוהי דרך ביו-בטוחה לחקור חלבונים ויראליים בנפרד במקום לחקור וירוס שלם", אמר קיילב גלסמן, עמית מחקר HMS ברפואה ב-Brigham and Women's in Elledge Lab, מחבר שותף של תָא נייר, ומחבר ראשון של מַדָע נְיָר.)
ספריית ORF חדשה מצוות נפרד, עליה דווח באותו גיליון של תָא וזכה לכינוי eORFeome, לוקח את התחום צעד בכיוון אחר על ידי הכללת כמעט 4,000 רצפים של וירוסים, חיידקים וטפילים.
חוקרים יכולים לקחת מקום בין אחד לכל 13,000 מבני ה-DNA ב-ORFeome הנגיפי של Elledge ועמיתיו ולהחדיר אותם לתרביות תאים כך שכל תא יקבל הוראות לייצור חלבון ויראלי יחיד. לאחר מכן, החוקרים יכולים לחקור אילו חלבונים משפיעים על תפקוד תאי – כמו הסוואה של התא מפני התקפה חיסונית, שיבוש חילוף החומרים או מתן עדיפות לשכפול ויראלי – וכיצד הם עושים זאת.
"ברגע שיש לך את הספרייה הזו, אתה יכול להתחיל להסתכל כיצד וירוסים מתקשרים עם כל מיני תהליכים שונים של תאים," אמר קולין או'לירי, עמית מחקר HMS ברפואה ב-Brigham and Women's in the Elledge Lab, מחבר ראשון של ה-HMS. תָא נייר, ומחבר שותף של מַדָע נְיָר.
התוצאות עשויות להצביע על חלבונים אנושיים או ויראליים, גנים או תהליכים שניתן להשבית – או להגביר – כדי להילחם בזיהום, בין אם באמצעות חיסון או תרופה אנטי-ויראלית. אם הכלי יגלה שמספר וירוסים נוקטים באותה טקטיקה ספציפית, זה יכול לסייע בפיתוח של טיפולים המגנים מפני יותר ממחלה אחת, אמר אולירי.
ברקוד גנטי ויתרונות נוספים
הצוות צירף תג זיהוי ייחודי המכונה ברקוד גנטי לכל ORF, המאפשר לחוקרים לבצע מחקרים על כל 13,000 ה-ORF בבת אחת ולעקוב אחר כל אחד מהם.
"אנו יכולים להכניס את הרצפים לאוכלוסיית תאים, לשאול שאלות כמו אילו גורמים לתאים לצמוח טוב יותר או פחות, ואז לזהות אותם לפי הברקודים שלהם כשהניסוי יסתיים", אמר אולירי. "לא היה אפשרי בעבר לעשות בדיקות גנטיות כאלה עם חלבונים ויראליים".
הצוות יהפוך את ה-ORFeome זמין לשימוש חופשי עבור מדענים. Elledge ועמיתיו העניקו לו עיצוב גמיש כך שחוקרים יכולים ליישם אותו על מערכות מודל וסוגי בדיקות שונים.
"עיצבנו אותו כך שביולוגים שאינם וירולוגים יוכלו להשתמש בו", אמר גלסמן. "יתרון גדול הוא שיש לנו משאב מאוחד התואם לזרימות עבודה נפוצות במעבדה."
חשיפת פונקציות בלתי נראות בווירולוגיה
כדי להדגים את יכולות הכלי, הצוות ערך בדיקות גנטיות בשלושה סוגי תאים, בחיפוש אחר חלבונים ויראליים המשפיעים על התפשטות התאים; למנוע מהתאים להציג אנטיגנים על פני השטח שלהם המעוררים את המערכת החיסונית לתקוף; או לחסום את ההשפעות של אינטרפרון, חומר שמניע את התאים הסמוכים להעלות את ההגנה מפני זיהום.
הם מצאו יותר מ-700 חלבונים ויראליים שתורמים לפחות לאחת מהפעולות הללו. רבים מהחלבונים האלה לא נחקרו קודם לכן. חלקם נחקרו אך לא היה ידוע שיש להם פונקציות ספציפיות אלו.
הצוות גם גילה שחלק מהחלבונים הוויראליים מבצעים פעולות שמדענים לא היו צופים בהתבסס על המבנים והרצפים הגנטיים שלהם, אמר אולירי. זה מדגים את הערך של ספריות ORF המייצגות חלבונים נגיפיים בפועל בהשוואה לספריות המכילות רצפים שחזויים חישוביים בעלי פונקציות מסוימות, אמרו המחברים.
ב- מַדָע במאמר, הצוות התמקד בזיהוי חלבונים ויראליים המפעילים סילוק אשפה סלולרי המכונה פרוטאזום יוביקוויטין כדי להיפטר מחלבוני התא המארח שעלולים להפריע לנגיף.
"וירוסים צריכים לפעול סופר מהר כדי להבטיח שהתא לא יבין שהם שם", הסביר גלסמן. "הם מתחברים למערכת הפרוטאזום של יוביקוויטין כדי לפרק חלבונים מסוימים כדי שיוכלו להעתיק את עצמם ולהסתתר ממערכת החיסון."
גלסמן ועמיתיו בנו רשימה של חלבונים ויראליים שמסירים גנים מארח ותיעדו את חלקי הפרוטאז שהם פועלים עליו, כמו גם את החלבונים של התא המארח שהם זורקים לאשפה. תוך כדי כך, הצוות גילה אסטרטגיות חדשות של וירוסים.
"הם משתמשים במערכת הפרוטאזום Ubiquitin בדרכים מגוונות וחדשניות תוך שהם נוטים למקד צעדים מוקדמים במסלולי מארח שמרגישים וחוסמים זיהום", אמר גלסמן.
לדוגמה, הם גילו שחלבון בשם NSP1, שנוצר על ידי נגיף רוטה הגורם למחלות מעיים, ערבב מחדש גנים מארח כדי ליצור קומפלקס משתנה אוביקוויטין שנצפה רק לעתים רחוקות בתאי מאכסן.
גילוי דברים שווירוסים מייצרים או עושים שתאי מארח אינם פותחים הזדמנויות לתכנן תרופות המעכבות פעילות ויראלית תוך חסכון בתפקוד תקין, אמרו המחברים.
הצוות מצפה לגילויים נוספים של-ORFeome יש פוטנציאל להעצים. ניתן להוסיף חלבונים כאשר וירוסים חדשים צצים – תופעה שההיסטוריה האחרונה הוכיחה היטב.
כאשר או'לירי החל את לימודי הדוקטורט שלו בבית הספר לתואר שני לאמנויות ומדעים בהרווארד קנת סי. גריפין דרך התוכנית בווירולוגיה, הייתה מגפת אבולה במערב אפריקה והתפרצות של זיקה בדרום ומרכז אמריקה.
"זה שכנע אותי שחשוב מאוד ללמוד ולהבין וירוסים", אמר אולירי.
