מחקרים

התגלית החשובה התבצעה על ידי הדוקטורנטים לונה תמר ואופיר המאירי מהמעבדה של פרופ' גיל אסט מהחוג לגנטיקה מולקולרית של האדם וביוכימיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף עם פרופ' רודד שרן מבית הספר למדעי המחשב באוניברסיטת תל אביב וכן חוקרים מאוניברסיטת בר אילן, מפורטוגל, מספרד, ומארה"ב. המאמר נבחר לשער של גיליון מרץ 2022 של כתב העת היוקרתי Molecular Cell.

לדברי פרופ' אסט, "בגופו של כל אחד מאתנו יש טריליוני תאים, ולכל תא יש גרעין שבתוכו ארוז הקוד הגנטי שלנו, רצף של מולקולות ד.נ.א שקיבלנו מהורינו –שאורכו כ-2 מטרים. ה-ד.נ.א מורכב מזיווגים של אבני בניין (בסיסים/נוקליאוטידים) המסומנות באותיות: G עם C ו-A עם T. בכל אזור של הד.נ.א יש חלוקה שונה של צמדי האותיות האלה. הממצאים שלנו מראים שבחלק החיצוני של הגרעין מסתדרים רצפי ד.נ.א אשר עשירים בצמדי הנוקליאוטידים A ו-T, וככל שמתקדמים למרכז הגרעין יש החלפה הדרגתית כך שבמרכז הגרעין שולטים רצפי ד.נ.א בהם יש עושר של צמדי G ו-C. הראינו שארגון זה קיים כמעט בכל התאים בגופנו. כמו כן הראינו שמיקומו של כל גן בגרעין משפיע על האופן שבו הגן מתבטא וכתוצאה מכך על עיבוד ה- ר.נ.א השליח (mRNA ) שנוצר מאותו גן. הבנת האופן שבו מסתדר החומר הגנטי בגרעין מאפשר לנו להעריך כי רצף מולקולות ה-ד.נ.א מתארגן בתוך הגרעין כך שגנים שהתוצרים שלהם מעובדים על ידי מנגנון אחד יהיו במקום שונה בגרעין מגנים אחרים בעלי מנגנון אחר. אנו סבורים שהבנה זו תתרום תרומה משמעותית לפיתוח טיפולים גנטיים למחלות תורשתיות ולסרטן."

גנים מהמרכז וגנים מהפריפריה

פרופ' אסט מסביר שלאורך ה-ד.נ.א פזורים אזורי הפעלה – הלא הם הגנים. שעתוק ה-ד.נ.א למולקולות ר.נ.א שליח המתורגמים לחלבונים המבצעים פעולות שונות בגופנו (כך לדוגמה, החיסון שהוזרק לרובנו נגד וירוס הקורונה מורכב ממולקולות ר.נ.א שליח של הנגיף שמתורגם בגופנו לחלבון הספייק הידוע, זה גרם למערכת החיסון לזהות אותו ולהילחם בו במקרה של הדבקה). המבנה של מולקולת ר.נ.א שליח דומה לרכבת, כאשר כל 'קרון', המכונה אקסון, נושא בתוכו מידע גנטי שונה, ובין 'הקרונות' מחברים כבלים באורך משתנה. ה-ר.נ.א שליח מופעל באמצעות תהליך המכונה שחבור ((splicing, שבו 'הקרונות' נצמדים זה לזה, ואז נגזר הכבל המחבר ביניהם.

במסגרת המחקר, ששילב בין שיטות חישוביות של ביו-אינפורמטיקה לבין ניסויים ביולוגיים 'רטובים', זוהה הבדל משמעותי, בריכוז אבני הבניין, בין גנים הממוקמים במרכז הגרעין לבין גנים שנמצאים בפריפריה. עוד נמצא כי שוני זה גורם גם לשוני באופי המוטציות שמובילות למחלות גנטיות וסרטן ובאופן בו הן משפיעות על מולקולות ה-ר.נ.א שליח: במוטציות שנוצרות בגנים שבפריפריה תהליך השחבור מדלג על 'קרון', ומחבר בין זה שלפניו לזה שאחריו, ולעומת זאת מוטציות בגנים שבמרכז הגרעין גורמות לכך שאחד הכבלים המחברים את 'הקרונות' אינו נגזר. בשני המקרים, ה-ר.נ.א שליח מתורגם לחלבון משובש לחלוטין שאינו מבצע את תפקידו כראוי, ולכן מעורב ביצירת מחלה.

בנוסף סבורים החוקרים שהתגלית עשויה לקדם משמעותית שיטות חדשניות של טיפולים גנטיים-מולקולריים לסרטן ולמחלות גנטיות. התגלית עשויה לייעל ולהאיץ פיתוח של תרופות בטכנולוגיה הקרויה "תרפייה בעזרת מולקולת אנטי-סנס"  (antisense therapy שנועדה לתקן מוטציות על ידי חסימת אזורים משובשים בחומר הגנטי בפרט ב-ר.נ.א השליח (mRNA). שיטה זו כבר קצרה הצלחות חשובות, לדוגמה בטיפול במחלה הגנטית SMA שגורמת לניוון שרירים עד כדי שיתוק. כיום תהליך הפיתוח עבור כל מחלה בנפרד הוא ארוך ומורכב, והתגלית החדשה עשויה להאיץ אותו משמעותית.

לשים את "הפלסטר" במיקום הנכון

פרופ' אסט: "הממצאים שלנו תורמים תרומה חשובה להבנת האופן שבו ה-ד.נ.א נארז בגרעין התא, כאשר אזורים עשירים באבני בניין A ו-T ממוקמים בפריפריה, ואילו אלה העשירים ב-C ו-G נמצאים במרכז. אנו סבורים שההפרדה ההדרגתית בין שני סוגי הרצפים בתוך הגרעין נגרמת על ידי תופעות של משיכה ודחייה בין מטענים חשמליים בתוכם, ובמחקרי המשך נעסוק בסוגיה זו.

בנוסף תורמת התגלית שלנו גם לפיתוח עתידי של טיפולים גנטיים חדשניים לסרטן ולמחלות גנטיות. מדובר בשיטה בעלת פוטנציאל עצום, שכבר קצרה הצלחות מעודדות – לדוגמה בטיפול במחלה הגנטית SMA שגורמת לניוון שרירים עד כדי שיתוק. במסגרת השיטה מייצרים מעין 'פלסטר' שחודר לגרעין התא ומתמקם במדויק באתר המשובש ב- .ר.נ.א שליח וכך הוא חוסם את הפעילות המשובשת של הגן, ולמעשה מתקן את המוטציה. עד היום פותחו תרופות מסוג זה בהליך ממושך של 'ניסוי וטעיה' עד שנמצא המקום הנכון ב-ר.נ.א שליח להניח את 'הפלסטר'. הממצאים שלנו מכוונים את מפתחי התרופות להניח כל 'פלסטר' באופן יעיל ומדויק הרבה יותר: במרכז הגרעין נדרשת חסימה של "קרונות", ואילו בפריפריה דרושים 'פלסטרים' שחוסמים את "הכבלים" דווקא. כעת אנחנו ממשיכים לפתח כלים שיאפשרו פיתוח מהיר של 'הפלסטר' הנכון עבור כל מחלה."

"נחילי ארבה המכלים את היבולים וגורמים לרעב קשה הם תופעה מוכרת מימי קדם ועד ימינו אלה. בשלוש השנים האחרונות פגעה מכת הארבה באזורים נרחבים באפריקה, בהודו ובפקיסטן, וקיימות הערכות כי התופעה צפויה להתגבר בעקבות שינויי האקלים." מסביר מסביר פרופ' אמיר אילי מבית הספר לזואולוגיה. "נחיל ארבה נוצר כאשר חגבים, שעל פי רוב חיים בטבע כבודדים, מתקבצים יחד ומתחילים לנדוד, אך הסיבות להתנהגות זו עדיין אינן מובנות במידה מספקת, והאדם עדיין חסר אונים מולה. מחקרים בשנים האחרונות הראו שהמיקרוביום עשוי להשפיע על ההתנהגות בכלל וההתנהגות החברתית בפרט של בעל החיים הפונדקאי, בין היתר בקרב חרקים. אנחנו חוקרים אפשרות שלמיקרוביום, כלומר לאוכלוסיית החיידקים במעי של החגב, יש תפקיד בהתלהקות שיוצרת את נחיל הארבה, ואף פרסמנו מספר מאמרים בנושא. במחקר הנוכחי לקחנו את הבדיקה צעד נוסף קדימה."

צוות המחקר בהובלת פרופ' אמיר אילי והדוקטורנט עומר לביא גילה שאוכלוסיית חיידקי המעיים (המיקרוביום) של חגב שחי לבדו משתנה באופן משמעותי כשהוא מצטרף ללהקה. הממצא העיקרי הוא חיידק המכונה Weissella שכמעט ואינו נצפה במעי של חגב בודד אך הופך לדומיננטי במיקרוביום עם ההצטרפות ללהקה. בנוסף בנו החוקרים מודל מתמטי המוכיח כי ההתלהקות 'כדאית' לחיידק מבחינה אבולוציונית, שכן היא מאפשרת לו להתפשט ולהדביק מספר רב של חגבים נוספים. לדברי החוקרים, "הממצאים שלנו אינם מוכיחים כי החיידק הוא האחראי לתופעת ההתלהקות והנדידה – כלומר ליצירת הארבה, אך סביר להניח שיש לו תפקיד בתופעה, וזוהי השערה חדשה שמעולם לא הועלתה עד היום. אנחנו מקווים שהתובנה החדשה תהווה בסיס לפיתוח אמצעים למניעת או להפחתת תופעת הארבה שפוגעת בהמוני בני אדם, בעלי חיים וצמחים בעולם."

במחקר השתתפו גם פרופ' לילך הדני אוהד לוין-אפשטיין ויונתן בנדט מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון, פרופ' אורי גופנא מבית הספר סמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר סרטן, וד"ר ערן גפן מאוניברסיטת חיפה-אורנים. המחקר מהווה דוגמה יפה לשיתוף פעולה בינתחומי מוצלח: חוקרי התנהגות ופיזיולגיה של חרקים (אילי, גפן), חוקרי מיקרוביולוגיה וחיידקים (גופנא) ומומחים למודלים אבולוציוניים ממוחשבים (הדני). המאמר פורסם בכתב העת Environmental Microbiology.

ההתלהקות כדאית לחגב

במסגרת המחקר גידלו החוקרים חגבים מסוג ארבה מדברי במעבדה, כבודדים ובקבוצה. הם אספו צואה של חגבים שגודלו בבדידות, איפיינו באמצעותה את אוכלוסיית חיידקי המעיים שלהם, ואחר כך צירפו אותם לקבוצה גדולה של כ-200 חגבים. בדגימה חוזרת, כעבור 7 ימים, נמצא שינוי משמעותי במיקרוביום של החגבים שגודלו כבודדים וצורפו לקבוצה. עומר לביא: "השינוי העיקרי שמצאנו היה בתפוצה של חיידק הקרוי weissella. חיידק זה, שנעדר כמעט לחלוטין מהמיקרוביום של החגב הבודד, הפך לדומיננטי במיקרוביום לאחר שהחגב צורף ללהקה."

בשלב הבא בנו החוקרים מודל מתמטי שהראה שההתלהקות 'כדאית' לחיידק מבחינה אבולוציונית, מכיוון שהיא מאפשרת לו להתפשט ולהדביק חגבים נוספים. בשל היתרון האבולוציוני שהוכח במודל העלו החוקרים השערה חדשה, כי ייתכן שהחיידק ממלא תפקיד בהתנהגות היוצרת התלהקות בקרב החגבים. במילים אחרות, ייתכן שהחיידק מעודד בדרך כלשהי את החגב הפונדקאי לשנות את התנהגותו ולהתקרב לחגבים אחרים.

פרופ' אילי מסכם: "המחקר שלנו תורם תרומה חשובה להבנת התופעה של התלהקות חגבים ויצירת נחילי ארבה – אחד הגורמים המובילים לרעב בעולם, מימי קדם ועד ימינו. במחקר מצאנו שינוי משמעותי בהרכב אוכלוסיית חיידקי המעי אצל חגבים שעוברים ממופע בודד למופע של להקה. השינוי העיקרי הוא התרבות עצומה של חיידק המכונה weissella, שכמעט ולא נצפה במיקרוביום של החגב הבודד, אך משתלט על אוכלוסיית חיידקי המעי כשהחגב מצטרף ללהקה. כמו כן בנינו מודל מתמטי המוכיח כי לחיידק יש 'אינטרס' אבולוציוני שהחגב הפונדקאי יצטרף ללהקה. הממצאים אמנם אינם מוכיחים כי החיידק הוא האחראי לתופעת ההתלהקות והנדידה – כלומר ליצירת הארבה, אך הם מצביעים על היתכנות גבוהה שיש לו תפקיד בתופעה, וזוהי השערה חדשה שמעולם לא הועלתה עד היום. אנחנו מקווים שהתובנה החדשה תהווה בסיס לפיתוח אמצעים למניעת או להפחתת תופעת הארבה שפוגעת בהמוני בני אדם, בעלי חיים וצמחים בעולם."

"על אף מאמצים רבים בכל העולם לאורך שנים רבות, אין עדיין תרופה יעילה למחלת האלצהיימר," אומרת פרופ' אינה סלוצקי מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר. "עם העלייה בתוחלת החיים הופכת המחלה לבעיה מרכזית, בריאותית וגם כלכלית בעולם המערבי. על פי מחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Lancet Public Health Journal מספר הסובלים מדמנציה ברחבי העולם צפוי לגדול מ-50 מיליון ב-2019 ליותר מ-150 מיליון בשנת 2050. בצפון אפריקה ובמזרח התיכון צפויה עלייה של כ-370%, בישראל כ-145%, ובמערב אירופה כ-74%. הזינוק בתפוצת מחלת האלצהיימר צפוי להימשך, כתוצאה מהגידול הצפוי באוכלוסייה ובתוחלת החיים - אם לא יעלה בידינו לפתח טיפולים יעילים. זוהי נורת אזהרה הקוראת להשקעה מורחבת ומואצת בחקר הדמנציה, עם דגש על צורתה הנפוצה ביותר – מחלת האלצהיימר."

"טכנולוגיות הדמיה חדשניות שפותחו בשנים האחרונות חשפו כי משקעים עמילואידיים המאפיינים את מחלת האלצהיימר נוצרים במוחם של החולים כבר 20-10 שנה לפני הופעת התסמינים המוכרים של פגיעה בזיכרון וירידה קוגניטיבית. לצערנו, עד היום נכשלו רוב המאמצים לטפל באלצהיימר על ידי הורדת כמות החלבון שמרכיב את המשקעים (עמילואיד-בטא). עם זאת, אילו יכולנו לאבחן את המחלה בשלב מוקדם ואז להותירה במצב 'רדום' וטרום-תסמיני לשנים ארוכות,  היה בכך הישג אדיר שעשוי להציל את איכות חייהם של מיליוני חולים.  אנו סבורים כי זיהוי ופענוח של חתימה אופיינית של פעילות מוחית חשמלית בשלבים הטרום-תסמיניים של אלצהיימר מהווה מפתח לטיפול אפקטיבי".

החוקרים, מבית הספר לרפואה ומבית הספר סגול לחקר המוח באוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' אינה סלוצקי והדוקטורנטים דניאל זרחין ורפאלה עצמון, חשפו תופעה מוחית פתולוגית שמקדימה בשנים רבות את הופעתם הראשונה של תסמיני מחלת האלצהיימר. מדובר בפעילות מוגברת בהיפוקמפוס במצבי הרדמה ושינה, שנובעת מפגיעה במנגנון המייצב את הרשת העצבית. לדבריהם עשויה התופעה החריגה לאפשר אבחון מוקדם של מחלת האלצהיימר, דבר שעשוי להוביל לטיפול יעיל יותר במחלה הנחשבת עד היום לחשוכת מרפא.

במחקר השתתפו: ד"ר אנטונלה רוגיארו, הלית באלוה, שירי שוב, עודד שרף, ליאור חיים, נדב בוכבינדר, אורטל שיניקאמיין, ד"ר אילנה שפירא, ד''ר בועז סטיר, וד"ר גבריאלה בראון ממעבדתה של פרופ' סלוצקי, בשיתוף עם מעבדתו של פרופ' יניב זיו ממכון ויצמן,  והמעבדות של פרופ' יובל ניר, פרופ' תמר גייגר, וד"ר אנטון שיינין מאוניברסיטת תל אביב, וחוקרים מיפן. המאמר פורסם בכתב העת Cell Reports.

החוקרים נעזרו בעכברי מודל לאלצהיימר והתמקדו באזור ההיפוקמפוס במוח, שממלא תפקיד מרכזי בתהליכי הזיכרון, וידוע כי הוא נפגע אצל חולי אלצהיימר. ראשית הם מדדו את פעילות התאים בהיפוקמפוס בזמן שהעכבר ער, פעיל, וחוקר את סביבתו - באמצעות שיטות מתקדמות שמודדות פעילות מוחית ברזולוציה של תאי עצב (נוירונים) בודדים. לדברי דניאל זרחין, "מחקרים קודמים בחנו את פעילות התאים במוחם של עכברי מודל מורדמים, ומצאו פעילות יתר בהיפוקמפוס ובקליפת המוח. להפתעתי, כשבדקתי עכברים ערים ופעילים, לא מצאתי כל הבדל בין פעילות הנוירונים והסינפסות במוחם של עכברים חולים לעומת קבוצת בקרה של עכברים בריאים."

פעילות עצבית גבוהה גם במהלך השינה

לאור הממצאים ביקשו החוקרים לבחון את הפעילות בהיפוקמפוס במצבי הכרה שונים – בעת הרדמה או שינה טבעית. לדברי רפאלה עצמון, "ידוע שבחיות בריאות פוחתת הפעילות העצבית בהיפוקמפוס בעת שינה. אך כשבדקתי עכברי מודל למחלת האלצהיימר בשלב מוקדם, גיליתי שהפעילות העצבית בהיפוקמפוס נותרת גבוהה גם במהלך השינה. מדובר בוויסות כושל של פעילות התאים בהיפוקמפוס שלא נצפה עד היום בהקשר של מחלת האלצהיימר." דניאל זרחין מצא הפרעות דומות אצל עכברי המודל במצבי הרדמה: פעילות הנוירונים אינה נחלשת, הנוירונים פועלים בצורה מסונכרנת מדי, ונוצרת תבנית חשמלית פתולוגית הדומה להתקפים 'שקטים' בחולי אפילפסיה. הלית באלוה, שחוקרת בעיות שינה הקשורות למחלת האלצהיימר, מדגישה שהשיבוש שהתגלה מתחיל לפני שמופיעות הפרעות השינה המאפיינות חולי אלצהיימר.  

פרופ' סלוצקי: "למעשה גילינו שמצבי המוח שחוסמים תגובה לסביבה – כמו שינה והרדמה – חושפים את הפעילות החריגה שנשארת סמויה במצבי ערות, וזה קורה עוד בטרם נצפו התסמינים המוכרים של מחלת אלצהיימר. למרות שאותה פעילות חריגה ניתנת לזיהוי גם בשינה, תדירותה גבוהה הרבה יותר בהרדמה. לכן חשוב לבדוק אם הרדמה קצרה עשויה לשמש לאבחון מוקדם של המחלה".

בשלב הבא ביקשו החוקרים לברר מה גורם לתופעה החריגה. לצורך כך הם הסתמכו על מסקנות ממחקרים קודמים של מעבדתה של פרופ' סלוצקי וחוקרים אחרים על הומאוסטזיס (מצב איזון) של רשתות עצביות: בכל מעגל עצבי קיימת נקודת איזון, ולצדה מנגנון מייצב שנכנס לפעולה כשהאיזון מופר, ותפקידו להשיב את הפעילות העצבית לנקודת האיזון המקורית. האם פגיעה במנגנון זה היא הגורם המרכזי לחוסר ויסות שלילי של פעילות מוחית בעת שינה או הרדמה אצל עכברי המודל לאלצהיימר? כדי לבחון זאת גידלה ד"ר אנטונלה רוגיארו רשתות נוירונליות מההיפוקמפוס של עכברים חולים ובריאים, וביצעה בהן סדרת ניסויים במעבדה. ראשית היא בחנה את השפעתן של תרופות הרדמה שונות על הנוירונים ומצאה שהן מורידות את נקודת האיזון של הפעילות העצבית. ברשתות נוירונים שנלקחו מעכברים בריאים הפעילות נותרה נמוכה לאורך זמן, אך ברשתות הנוירונים של עכברי המודל לאלצהיימר הפעילות לא מצליחה להישמר בנקודת האיזון הנמוכה ועולה מיד בחזרה, על אף נוכחות חומרי ההרדמה. בניסוי נוסף הגבירה ד"ר רוגיארו את הפעילות של תאי העצב, וגם כאן מצאה כי בקבוצת עכברי המודל קיים כשל במנגנון שאמור להשיב את הפעילות לנקודת האיזון התקינה.

התרופה שמקטינה ומייצבת את הפעילות המוחית

כעת ביקשו החוקרים לבחון תרופה פוטנציאלית למנגנון הוויסות הפגוע. פרופ' סלוצקי: "תופעת חוסר היציבות בפעילות עצבית שמצאנו במחקר זה מוכרת ממחלת האפילפסיה. במחקר קודם גילינו שתרופה קיימת לטרשת נפוצה עשויה לסייע לחולי אפילפסיה על ידי הפעלת מנגנון הומאוסטטי שמוריד את נקודת האיזון של הפעילות העצבית. הדוקטורנטית שירי שוב בדקה את השפעת התרופה על פעילות ההיפוקמפוס בעכברי מודל לאלצהיימר, ומצאה שגם במקרה זה התרופה מייצבת את הפעילות ומקטינה את הפעילות הפתולוגית הנצפית בזמן הרדמה."

פרופ' סלוצקי מסכמת: "המחקר שלנו העלה מספר ממצאים עם פוטנציאל לאבחון מוקדם של אלצהיימר, ואף למתן מענה למחלה. ראשית מצאנו שמצבי הרדמה ושינה חושפים פעילות מוחית פתולוגית בשלבים מוקדמים של מחלת האלצהיימר, לפני הופעתן של בעיות קוגניטיביות. שנית גילינו את הגורם לפעילות הפתולוגית – פגיעה במנגנון בסיסי המייצב את הפעילות החשמלית במעגלים מוחיים. ושלישית, אנו מציעים תרופה מוכרת לטרשת נפוצה שעשויה, לאחר התאמה, לסייע גם לחולי אלצהיימר בעקבות גילוי מוקדם."

כעת מתכננים החוקרים לשתף פעולה עם מרכזים רפואיים בארץ ובעולם על מנת לבחון אם המנגנונים שנחשפו בעכברי המודל ניתנים לזיהוי גם בחולי אלצהיימר בשלבים מוקדמים של המחלה. לצורך כך הם מבקשים לשלב מעקב א.א.ג. בהליכי ניתוח, על מנת למדוד את הפעילות המוחית של המנותחים במהלך ההרדמה. הם מקווים שהממצאים יקדמו פיתוח תרופות שיסייעו לחולים בעקבות גילוי מוקדם של מחלת האלצהיימר.