כיצד מבחינים חיידקים "בין אויב לאוהב"?

לפני שנים אחדות גילו חוקרים שלחיידקים, שהם יצורים חד-תאיים, יש מערכת חיסון הדומה לזו של כל היצורים החיים: מערכת 'מסתגלת', שיודעת לזכור ולזהות אויבים החודרים לגוף התא, ולתקוף אותם. מנגנון החיסון החיידקי, הקרוי CRISPR, משמש את החיידקים להגנה מפני אויביהם העיקריים, נגיפים פולשים המכונים פאג'ים, אך גם בני האדם יודעים לגייס אותו  לתועלתם: כבר היום משמש ה-CRISPR להגנה על חיידקים 'טובים' בתהליכי ייצור יוגורט וגבינה; ובעתיד הוא עשוי להוות כלי יעיל וזמין ל'עריכה' של הגנום האנושי, אשר ייושם בריפוי מחלות רבות.

צעד חשוב בהבנת מנגנוני הפעולה של מערכת החיסון החיידקית  נעשה לאחרונה בידי פרופ' אודי קימרון מהמחלקה למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה קלינית בבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל-אביב, ופרופ' רותם שורק מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית ממכון ויצמן למדע. החוקרים גילו כיצד מבצע ה-CRISPR פעולה יסודית, שהיא חיונית לכל מערכת חיסון: הבחנה בין ה-DNA של החיידק עצמו לבין ה-DNA של הנגיף הפולש, במטרה לתקוף את האויב בלבד.

סביבה עוינת

"רוב החיידקים חיים בסביבה מאוד עוינת," מסביר פרופ' שורק. "בדרך כלל בטבע, כמות הפאג'ים גדולה פי 10 ממספרם של החיידקים. הפאג'ים משתמשים במנגנון השכפול של החיידק המארח עצמו כדי לשכפל את עצמם, ומפתחים ללא הרף דרכים חדשות כדי לעשות זאת. כדי לשרוד מול המתקפה המתמדת, זקוקים החיידקים למערכת חיסון יעילה ופעילה ביותר." 

במלחמת ההישרדות שאינה נגמרת, משימתו הראשונה של מנגנון החיסון החיידקי (ה-CRISPR) היא לזכור אויבים שכבר פגש בעבר, על מנת לזהותם ולחסלם במפגש הבא. פרופ' קימרון היה מחלוצי הפעילות המחקרית שחשפה כבר לפני שנים אחדות כיצד זוכר מנגנון החיסון את אויביו: הוא  נוטל רצף קצר מה-DNA  של הפאג' שחדר לתא החיידקי, ומאחסן אותו באזור מיוחד המיועד לכך בתוך הגנום של החיידק עצמו. בהדרגה, פעולה אחר פעולה, נוצר בדרך זו הזיכרון של מערכת החיסון. כעת, בכל פעם שחודר לחיידק פולש מסוג מוכר, משתמש ה-CRISPR במקטעי ה-DNA  שלו שנשמרו בגנום החיידקי, ומייצר באמצעותם גדילים קצרים של RNA  המותאמים לרצף הגנטי של הפאג' הפולש. תרכובות חלבונים ייעודיות שנצמדות ל- RNA מזהות את ה-DNA  של הפאג', ומשמידות אותו.

אך מה קורה כשמערכת החיסון טועה, ומאחסנת בזיכרונה מקטע מה-DNA  של החיידק עצמו? במחקרים קודמים הראה פרופ' שורק כי במקרה כזה יסבול החיידק מסוג של מחלה אוטואימונית, שבה הוא תוקף ואף קוטל את ה-DNA  של עצמו. פרופ' קימרון גילה בעבר כי החיידק מתגבר על המחלה האוטואימונית כשהוא לומד להבחין בין ה-DNA  העצמי ל-DNA הזר.  יכולתה של מערכת החיסון להבחין 'בין אויב לאוהב' – כלומר בין DNA  זר ל-DNA  עצמי - היא חיונית אם כן להישרדותו של החיידק; אך המנגנון שמאפשר הבחנה זו נותר בגדר תעלומה במשך זמן רב.

מזהים את האויב

כעת, במחקרם החדש, ביקשו החוקרים לרדת לעומקו של מנגנון ההבחנה של מערכת החיסון החיידקית, ולחשוף את דרך פעולתו. לשם כך חברו פרופ' קימרון ותלמידת המחקר שלו מורן גורן לפרופ' שורק ותלמידו אסף לוי. החוקרים יצרו במעבדה פלסמידים – פיסות עגולות של DNA  המחקות נגיפים – והזריקו אותם לתוך חיידקים. ואכן, התצפיות העלו כי מערכת ה-CRISPR של החיידקים הצליחה לשלב את ה-DNA של הפלסמידים בזיכרון של מערכת החיסון שבתוך הגנום החיידקי, ואילו ה-DNA העצמי של החיידק שולב בזיכרון זה רק לעתים נדירות. בסך הכל תועדו במחקר כ-38 מיליון אירועי חיסון.

"ה-CRISPR  נוטל ומאחסן מקטעים של  DNA זר באמצעות שני חלבונים - Cas1 ו-Cas2," מסביר פרופ' קימרון. "כשבחנו לעומק את תוצאות המחקר שלנו, גילינו ששני החלבונים מצליחים לאתר את הפאג' על ידי זיהוי הנקודה שבה מסתיים תהליך השכפול שלו. ומכיוון שהפאג'ים משכפלים את עצמם בקצב מהיר בתוך החיידק המארח, יכולים החלבונים למצוא נקודות רבות שבהן מתרחש ומסתיים תהליך השכפול. למעשה אפשר לומר שמערכת החיסון החיידקית מנצלת דווקא את מנגנון ההישרדות של 'האויב' כדי לזהותו."

סימון עצמי

בנוסף למנגנון המשמש את מערכת החיסון לזיהוי 'האויב', גילו החוקרים מנגנון נוסף, המזהה דווקא את 'האוהב' – כלומר את ה- DNA העצמי של החיידק. מדובר בסימון ייחודי של ה-DNA  החיידקי, המאותת לחלבונים שליחי מערכת החיסון: "אני ידיד, אל תגעו בי!" 

"ב-DNA של חיידקים קיימים רצפים ייחודיים המכונים Chi, שאינם מצויים על פי רוב בפאג'ים," אומר פרופ' קימרון, "לרצפי ה-Chi  יש תפקיד חשוב ומוכר בתיקון שברים ב-DNA, אך אנו גילינו שיש להם גם תפקיד מרכזי במערכת החיסון:  מצאנו כי החלבונים Cas1  ו-Cas2 יוצרים תרכובת עם אנזימים המזהים את רצפי ה-Chi, וכך כשהם פוגשים רצף Chi, הם יודעים  כי מדובר ב-DNA  עצמי של החיידק, וחדלים מיד מפעולתם. במילים אחרות: הם מזהים את הסימון הייחודי של ה-DNA הידידותי, ואינם נוטלים ממנו מקטע לאחסון בזיכרון של מערכת החיסון."

"במחקר שלנו הצלחנו לגלות שני מנגנוני הבחנה, שבאמצעותם  מצליחה מערכת החיסון החיידקית להבחין 'בין אויב לאוהב'," מסכם פרופ' שורק. "בזכות המנגנונים החכמים הללו מצליחה המערכת לאחסן בזיכרון שלה כמעט אך ורק מקטעים של DNA  זר, ויודעת לתקוף אותם בבוא העת, ובמקביל היא נמנעת ממתקפות עצמיות שגורמות למחלות אוטואימוניות. מדובר במחקר בסיסי שעשוי בעתיד לשמש כתשתית לפיתוח תרופות למחלות שונות הקשורות לגנום האנושי."

בימים אלה שוקדים החוקרים על פיענוח ההיבטים המולקולריים של מנגנון הזיכרון של מערכת החיסון החיידקית.