המערכת החיסונית עומדת בפני פעולת איזון עדינה: עליה להיות אגרסיבית מספיק כדי להילחם בזיהומים ובסרטן, ועם זאת מאופקת מספיק כדי להימנע מתקיפת רקמות הגוף עצמו.
לפני יותר משני עשורים, חוקרים זיהו גן שנקרא FOXP3 כמי שממלא תפקיד קריטי בשמירה על איזון זה ומניעת עבודת מחלות אוטואימוניות שגרפו השנה את פרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה.
כעת, מדענים ממכוני גלדסטון ואוניברסיטת סן פרנסיסקו (UCSF) מיפו את הרשת המורכבת של מתגים גנטיים שתאי החיסון משתמשים בהם כדי לכוונן רמות של FOXP3. הממצאים שלהם, שפורסמו ב חֲסִינוּת, יש השלכות חשובות לפיתוח טיפולים חיסוניים ומתייחסים לתעלומה ארוכת שנים לגבי מדוע גן זה מתנהג בצורה שונה בבני אדם מאשר בעכברים.
"FOXP3 חיוני לחלוטין לוויסות מערכות החיסון שלנו", אומר אלכס מרסון, MD, PhD, מנהל מכון Gladstone-UCSF לאימונולוגיה גנומית, שהוביל את המחקר. "איך זה נשלט היא שאלה בסיסית של אימונולוגיה, והתשובה המפורטת יכולה להציע רמזים לפיתוח טיפולים עתידיים למחלות אוטואימוניות או לסרטן".
חיפוש אחר מתגי דימר
הגן FOXP3 פעיל בכל תאי ה-T הרגולטוריים, השומרים על תגובות חיסון בשליטה. ללא גן זה, תאי T מווסתים אינם יכולים לתפקד כראוי ומערכת החיסון יוצאת מכלל שליטה, תוקפת את רקמות הגוף עצמו. אנשים עם מוטציות ב-FOXP3 מפתחים מחלות אוטואימוניות נדירות וקשות.
בעכברים, FOXP3 מופעל רק בתאי T מווסתים. אבל בבני אדם, תאי T קונבנציונליים – התאים הדלקתיים הנלחמים בזיהומים – יכולים גם להפעיל לזמן קצר FOXP3. ההבדל הזה מעורר תמיהה על אימונולוגים במשך שנים.
בעבודה החדשה, המעבדה של מרסון השתמשה בטכנולוגיית השתקת גנים מבוססת CRISPR כדי לבדוק באופן שיטתי 15,000 אתרים ב-DNA המקיף את הגן FOXP3. הם חיפשו אלמנטים רגולטוריים גנטיים – קטעי DNA בקרבת מקום שמתנהגים כמו מתגי עמום, השולטים מתי וכמה גן מופעל או מכבה.
על ידי שיבוש אלפי מיקומים בתאי T רגולטוריים ותאי T קונבנציונליים של בני אדם וגם בעכבר ולאחר מכן מדידת השפעות על FOXP3 ברמות, הצוות זיהה אילו רצפי DNA קרובים שולטים FOXP3.
"בעצם יצרנו מפה פונקציונלית של כולו FOXP3 מערכת בקרה", אומרת ג'ני אומהופר, PhD, פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדתו של מרסון והמחברת הראשונה של המאמר החדש.
לוחות בקרה חיסוניים
הניסויים גילו שלסוגי תאים אנושיים שונים יש מערכות בקרה שונות על הגן FOXP3. בתאי T מווסתים, איפה FOXP3 חייבים להישאר פעילים כל הזמן, רצפי משפרים מרובים-DNA שמגבירים את רמות הגן פועלים יחד כדי להבטיח שהגן יישאר. מכיוון שהם פועלים באופן מיותר, לשבש רק אחד מהמשפרים הללו הייתה השפעה קטנה בלבד FOXP3 רמות.
בתאי T קונבנציונליים מופו רק שני משפרים. אבל החוקרים גילו גם מדכא בלתי צפוי שפועל כבלם על FOXP3 גֵן.
"מה שאנחנו רואים הוא מעגל רגולטורי מתוחכם", אומר Umhoefer. "לתא יש דוושות גז ובלמים, והוא מתאם אותם כדי להשיג שליטה מדויקת".
כדי להבין לא רק היכן ממוקמים המתגים הגנטיים הללו, אלא גם מה שולט בהם, הצוות ערך סקר CRISPR מאסיבי שני. הפעם, הם שיבשו באופן שיטתי כמעט 1,350 גנים ברחבי הגנום כדי לזהות חלבונים ספציפיים השולטים FOXP3 רמות.
לאחר מכן, בעבודה עם חוקר השותפים של Gladstone Ansuman Satpathy, MD, PhD, הצוות השתמש בטכניקה שנקראת ChIP-seq כדי למפות פיזית היכן החלבונים ממוקמים ב-DNA ביחס ל- FOXP3 גֵן.
"זה היה צעד גדול קדימה בפיתוח דרכים לקשר את האלמנטים הרגולטוריים המקומיים עם החלבונים שנקשרים אליהם בפועל", אומר Satpathy, שהוא גם פרופסור חבר במחלקה לפתולוגיה בבית הספר לרפואה בסטנפורד. "אף אחד לא הרכיב את הכלים האלה בצורה כל כך רחבה ושיטתית לפני כן".
תעלומת מין
המעבדה של מרסון העלתה תחילה השערה שבבני אדם, לתאי T קונבנציונליים עשוי להיות משפר להפעיל FOXP3 זה חסר בעכברים, מה שמסביר מדוע תאי העכבר אף פעם לא מפעילים את הגן. באופן מפתיע, הם גילו שבתאי T קונבנציונליים בעכברים יש את אותם אלמנטים משפרים כמו בני אדם.
ההבדל, הבינו המדענים, עשוי להיות טמון במדכא שגילו. בתאי T קונבנציונליים של עכבר, המדכא הזה שומר FOXP3 כבוי כל הזמן. כאשר החוקרים השתמשו ב-CRISPR כדי למחוק את המדכא מה-DNA של עכברים, תאי ה-T הקונבנציונליים החלו לבטא את FOXP3 גן כמו תאים אנושיים.
"זו הייתה תוצאה בולטת", אומר מרסון. "על ידי הסרת אלמנט מדכא יחיד, נוכל לשבור את ההבדל בין המינים ולאפשר לתאי T קונבנציונליים בעכברים לבטא FOXP3. זה מציע רמזים חדשים כיצד הרגולציה של גנים מרכזיים עשויה להתפתח בין מינים."
הממצאים מצביעים על החשיבות של חקר ויסות גנים בתאים אנושיים, ומדגישים את הצורך לחפש באופן נרחב אחר מדכאים – לא רק את האלמנטים המשפרים הנפוצים יותר.
הנדסת תאים מדויקת
המחקר החדש מספק בסיס למאמצים מתמשכים לגלות ולפתח טיפולים חדשים למגוון מחלות. חמוש במפה מלאה של האלמנטים השונים המעורבים בשליטה ברמות של FOXP3 גן, חוקרים יכולים להתחיל לפתח דרכים חדשות לכוונון רמות אלה עבור אימונותרפיות.
טיפולים במחלות אוטואימוניות, למשל, עשויים להפיק תועלת מרמות מוגברות של FOXP3בעוד טיפולים בסרטן עשויים לעבוד טוב יותר עם נמוך יותר FOXP3 פְּעִילוּת.
"יש כרגע מאמצים עצומים לסמים תאי T מווסתים, או כדי לקדם את פעילותם או להפחית אותה", אומר מרסון. "כאשר אנו מבינים היבטים חדשים של המעגל המבדיל בין תאי T מווסתים לתאים קונבנציונליים, אנו יכולים לחשוב על אסטרטגיות לתמרן אותו באופן רציונלי."
