מחלת לב מולדת היא המום המולד הנפוץ ביותר, הפוגעת בכ-1 מכל 100 תינוקות שנולדים מדי שנה. אחת הסיבות הרבות להפרעה זו היא שיש רק עותק פונקציונלי אחד של הגן TBX5, במקום שני עותקים בריאים, שעברו בירושה מההורים.
עם זאת, מדענים נאבקו להבין מדוע עותק פגום אחד של הגן הזה, אפילו בנוכחות עותק בריא שני, יכול לגרוע בצורה כל כך דרסטית את התפתחות הלב.
כעת, חוקרים במכוני גלדסטון הראו ש-TBX5 ממלא תפקיד בקיפול פיזי של DNA לארכיטקטורה שתאי הלב צריכים לתפקד. במחקר חדש שפורסם ב מַדָעהם גילו שאפילו אובדן עותק אחד מפרק את ארגון ה-DNA הזה, עם השפעות אדווה באופן שבו אינספור גנים אחרים משמשים את התאים.
המחקר מסגר מחדש את האופן שבו מדענים חושבים על חידה ארוכת שנים בגנטיקה: מדוע איבוד עותק אחד של גן, מצב הנקרא הפלאיספיקציה, עלול לגרום לליקויים התפתחותיים חמורים.
TBX5 הוא רק דוגמה אחת למחלקה רחבה יותר של גנים הגורמים למומים מולדים כאשר רק עותק אחד אובד. מה שמרגש בממצאים שלנו הוא שהם מציעים שמומים מולדים רבים ושונים עשויים לקרות מאותה סיבה: מדריך ההוראות התלת-ממד של התא פשוט מתקפל בצורה לא נכונה."
בנואה ברונו, דוקטור, מנהל מכון גלדסטון למחלות לב וכלי דם ומחבר בכיר של המחקר
"פיתחנו והשתמשנו במודלים חישוביים שונים כדי לנתח תוצאות מאלפי תאים בודדים", אומרת קייטי פולארד, PhD, מנהלת מכון גלדסטון למדעי הנתונים והביוטכנולוגיה והמחבר הבכיר השני של המחקר. "זה איפשר לנו סוף סוף לראות איך איבוד החלבון האחד הזה גורם למבנה ה-DNA של הלב להתפרק בכל רמה".
מבט מקרוב על קיפול DNA
התאמת DNA בתוך תא זה כמו לקחת מדריך הוראות באורך קילומטרים ולארוז אותו בראש סיכה. מכיוון שכל סוג תא מקפל בצורה מדויקת את המדריך שלו לצורה תלת מימדית ייחודית, תא לב מקבל הוראות שונות מתא מוח – ולכן מתפקד אחרת.
המבנה התלת-ממדי של ה-DNA מאורגן בכמה שכבות, כולל תאים גדולים (כמו קלסרים נפרדים של המדריך), תחומים (כמו פסקאות) ולולאות כרומטין (כמו קיפול דף כך ששני משפטים מרוחקים נוגעים). בתאים, לולאות אלו מביאות מתגים גנטיים מרוחקים הידועים כמשפרים למגע פיזי עם גנים, מה שמאפשר לתא להפעיל את ההוראות הספציפיות שהוא צריך.
החוקרים כבר ידעו ש-TBX5 הוא מווסת מאסטר של התפתחות הלב – חלבון שמפעיל גנים רבים שתא לב צריך כדי ליצור ולתפקד כראוי. המעבדה של ברונאו הראתה בעבר שאיבוד עותק אחד של TBX5 משפיע על רמות של מאות גנים אחרים ספציפיים ללב. אבל הם לא ידעו בדיוק איך.
בעבודה החדשה, הצוות חקר אם אופן קיפול ה-DNA קובע כיצד תא לב מתפקד, ואיזה תפקיד עשוי למלא TBX5 בתהליך.
כדי לבדוק זאת, המדענים שילבו טכניקות מתקדמות רבות כדי לראות כיצד תאים בודדים מגיבים בצורה שונה לאובדן TBX5. הם שידלו תאי גזע אנושיים – בריאים, חסרים עותק אחד של TBX5, או חסרים את שני העותקים – כדי להבשיל לתאי שריר הלב ולאחר מכן השתמשו במיפוי תלת מימדי ברזולוציה גבוהה כדי להסתכל על לולאות DNA בפירוט חסר תקדים.
מכיוון שהמחקר כלל מיליוני נקודות נתונים מאלפי תאים בודדים, הם פנו למודלים חישוביים כדי להבין את מערכי הנתונים שהתקבלו.
"באמצעות הגישות החישוביות המותאמות אישית שפיתחנו, הצלחנו לראות לראשונה כיצד אובדן TBX5 גורם לקריסה מוחלטת של ארגון ה-DNA התלת-ממדי של הלב", אומר Shuzhen Kuang, PhD, מחבר ראשון של המחקר ועמית ביואינפורמטיקה לשעבר במעבדה של פולארד. "למרבה ההפתעה, גילינו שהקריסה הזו מתרחשת בכל רמה של תא ארגון הגנום, תחומים ולולאות כרומטין."
אדריכל אמן
הנתונים חשפו שכאשר תאי גזע בריאים הבשילו לתאי שריר הלב, הגנום עבר ארגון מחדש גורף, כאשר מקטעים גדולים של DNA עוברים מבלתי פעיל לפעיל או להיפך. והצוות מצא, TBX5 הוא האדריכל הראשי מאחורי השינויים המבניים הללו.
המדענים גילו ש-TBX5 פועל כ-GPS, ואומר למנוע מולקולרי, המכונה קוהזין, היכן בדיוק לנחות על ה-DNA כדי לבנות את לולאות הכרומטין שמחברים בין גנים למשפרים שלהם. כאשר אין מספיק TBX5, ה-DNA מתקפל לא נכון ולא מצליח ליצור לולאות הכרחיות, מה שמונע מגנים חיוניים הקשורים ללב להידלק.
"מה שהיה בולט היה עד כמה כמות ה-TBX5 חשובה מאוד", אומרת זואי גרנט, דוקטורט, מחברת ראשית של המחקר וחוקרת פוסט-דוקטורט במעבדה של ברונאו. "ככל שהסרתם יותר TBX5, כך ההפרעה בכל רמה של ארגון הגנום שבדקנו גרוע יותר."
למעשה, המחקר מוכיח שדי בעלות מחצית מהכמות הרגילה של TBX5 כדי לגרום למבנה ה-DNA לקפל שגוי, מה שמוביל ישירות למומי לב.
בנוסף, כאשר החוקרים בחנו מקרוב יותר תאים בודדים, הם גילו שלא כל תאי הלב הגיבו באופן זהה לאובדן TBX5. ניתן היה לראות הבדלים מיוחדים בין שני סוגים שונים של תאי לב – פרוזדורים וחדרי – ואפילו בין תאים בודדים מאותו סוג.
"זה יכול לעזור להסביר מדוע לאנשים עם אותה מוטציה יכולים להיות מומי לב שונים", אומר גרנט.
צוהר חדש למחלות התפתחותיות
בעוד שהמחקר שופך אור חדש על מדוע מחלת לב מולדת מתרחשת ברמה מולקולרית, הממצאים עשויים לחול על הפרעות התפתחותיות רבות אחרות.
"אנחנו מאמינים שגילינו מנגנון חדש של מחלה", אומר ברונו. "הראינו שאפילו ירידה קטנה בחלבון בודד עלולה לגרום לתוכנית ה-DNA להתקפל בצורה שגויה ולהוביל למחלה. לכן, מומים מולדים רבים המיוחסים כיום למוטציות גנטיות עלולים להיגרם למעשה מקיפול תלת-ממדי של ה-DNA".
הצוות מתכנן לחקור מתי במהלך התפתחות לבבית מוקדמת מתחיל TBX5 לעצב לראשונה את ארכיטקטורת הגנום, והאם אותם עקרונות מתקיימים לגבי חלבונים אחרים הגורמים למומים מולדים.
