Archive

Posts Tagged ‘ביולוגיה התפתחותית’

נוסטלגיה מוקדמת או הצתה מאוחרת? על תאי גזע מושרים

נתחיל הפעם בשאלה (רטורית) לקהל: בהצבעה, מי מכם זוכר (ללא ויקיפדיה) על מה בדיוק זכו הפרופסורים אברהם הרשקו ואהרון צ'חנובר בפרס הנובל לכימיה? האם אתם עדיין יכולים להסביר מהו קווזי-גביש ומה חשיבות הגילוי של פרופ' דן שכטמן עכשיו אחרי שהקווזי-גבישומניה שכחה? אפילו אם באופן אישי הרמתם את היד, דעתי היא שרובנו נוטים לשכוח די מהר.

בחרתי הפעם להיזכר בנושא מרתק שהיה לא מעט בכותרות בשנה שעברה לפני שנתיים עקב זכייה בפרס הנובל ברפואה – תאי גזע מושרים.

Nobel_Prize

תמונה 1: צילום של אחד הצדדים של מדליית פרס הנובל לרפואה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Jonathunder.

***

נתחיל בביולוגיה התפתחותית. בשלבים הראשונים של התפתחות העובר מספר התאים גדל על ידי חלוקה ובמקביל התאים עוברים שינוי. תאים זהים עוברים תהליך התמיינות לסוגי תאים שונים בהתאם לרקמות אליהם הם מיועדים כגון עור, עצב, שריר וכדומה. גם בתוך הרקמות התאים מתמיינים בינם לבין עצמם לתאים מסוגים שונים ובעלי מבנה ותפקודים שונים. ה-DNA בכל התאים זהה אבל זהות הגנים הפעילים ורמת הביטוי שלהם שונה.

ניתן לדמיין את תהליך ההתמיינות לעץ עם ענפים מתפצלים. הגזע משותף לכולם, אלה תאים לא ממוינים בעובר. כל צומת מסמלת תא שמקבל החלטה על התמיינות ועובר לענף משלו המתאים לסוג התא החדש. פעולה זאת מתבטאת בהפעלה או דיכוי של גנים מסוימים ולכן הרכב החלבונים שבתא משתנה בהתאם. דבר זה מוביל לשינוי בצורתו ובתפקודו של התא. תא עצב למשל שונה מאוד בצורתו ותפקודו מתא עור. קצוות הענפים או העלים בעץ הם התאים שהתמיינו לתפקידם וצורתם הסופית.

Stem_cells_diagram

איור 2: התאים בתוך הבלסטוציסט (הביצה המופרית לאחר שעברה מספר חלוקות) בכחול מימין למעלה הם תאי הגזע העובריים. תאים אלה הם בעלי הפוטנציאל להתמיין לכל סוג תא בגוף. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Mike Jones.

תא גזע מוגדר כתא שעדיין לא עבר תהליכי התמיינות סופיים. תאי גזע שיכולים להתמיין לכל תא בגוף נקראים פלורופוטנטיים (Pluripotent stem cells) וניתן למצוא אותם למשל בראשית חייו של העובר. תאי גזע סומטיים הם תאים ברקמות שונות בגופנו שעברו התמיינות אך לא באופן סופי ויכולים להחליף תאים מתים באותה רקמה.

עד לשנות ה-50 של המאה הקודמת היתה הדעה הרווחת שתהליך ההתמיינות של התאים הוא בלתי הפיך. מחקרים שהראו שניתן לקחת גרעין תא ממוין, להשתיל אותו בביצית ובתנאים מסוימים לקבל יצור שלם יצרו סדקים בדעה הזאת. במשך השנים התחזקה ההבנה של תפקוד התא ואיך קבלת ההחלטות בו קשורה לביטוי של גנים ולריכוזים של חלבונים שונים.

בשנת 2006 פרסם שינייה ימאנאקה מאוניברסיטת קיוטו ביפן מאמר ובו דיווח שהצליח 'לתכנת' מחדש בצורה פשוטה באופן יחסי תאים ממוינים לתאי גזע בעלי פוטנציאל התמיינות בלתי מוגבל. 6 שנים בלבד לאחר אותו פרסום, בשנת 2012, זכה ימאנאקה בפרס הנובל לרפואה על התגלית. כיצד הוא עשה את זה?

Shinya_yamanaka

תמונה 3: פרופ' שינייה ימאנאקה. המקור לתמונה National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

השלב הראשון היה לזהות אלמנטים שהיו פעילים בתאי גזע עובריים אך לא בתאים ממוינים. כדי שגן יבוטא, כלומר יתורגם לחלבון, מכונה ביולוגית שנקראת DNA polymerase RNA polymerase צריכה להגיע ולהתחבר אליו ואז 'לנסוע עליו' ולתרגם אותו לפיסת RNA. פקטור שעתוק הוא חלבון שנקשר למקטעי DNA ספציפיים ויכול במקרים מסוימים לקרוא לפולימראז: "בוא הנה!", וכך להגביר שעתוק של גן או לחסום אותו ובכך לבטל את פעילות הגן. במשך השנים זוהו מספר פקטורי שעתוק בתאי גזע עובריים שלגביהם היתה סברה שהם קשורים לשימור תכונת הפלורופוטנטיות. בניסוי גאוני בפשטותו השתמש ימאנאקה בטכניקות סטנדרטיות של הנדסה גנטית והשתיל לתוך תאים ממוינים של עכבר עותקים של 24 מהפקטורים החשודים. בסיום התהליך חלק קטן מהתאים נראו כמו תאי גזע עובריים. הצלחה ראשונה. אבל הוא לא עצר שם.

בשלב הבא ניסה ימאנאקה 'לנכש' את הפקטורים בהם השתמש, כלומר למצוא את זהותם ומספרם המינימלי הנחוץ לתהליך התכנות-מחדש. בעבודתו שפורסמה ב-2006 הוא השתמש ב-4 מסוימים מתוך ה-24. לאחר מכן התגלה שניתן להחליף את חלקם בפקטורים אחרים ואפשר אפילו להסתפק ב-3 אך לשלם על כך בירידה ביעילות התהליך. דבר זה מרמז שעד היום תהליך התכנות-מחדש אינו ברור לנו לחלוטין. הפקטורים שבהם נעשה שימוש הם Master transcription factors, כלומר שולטים על תפקודם של גנים רבים בדרכים שאינן ידועות באופן מלא.

Induction_of_iPS_cells

איור 4: סכימה של תהליך היצירה של תאי גזע מושרים. 1) גידול תאים המתאימים לתהליך התכנות מחדש בצלחת, 2) השתלת הגנים עבור פקטורי השעתוק לתוך התאים בשיטות סטנדרטיות של הנדסה גנטית למשל על ידי שימוש בוירוסים, 3) מציאת תאים שעברו את ההשתלה בהצלחה וגידולם על מצא מתאים של תאים אחרים, 4) חלק קטן מהתאים גדלים ומתרבים למושבות של תאי-גזע. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Y tambe.

תאי הגזע שנוצרים על ידי תהליך התכנות-מחדש של ימאנאקה מכונים בעגה Induced pluripotent stem cell או בקיצור IPS, וכיום הם כבר כלי בסיסי למחקר שבו משתמשים באין ספור מעבדות ברחבי העולם. ישנם שימושים רבים לתאים אלה אך אני אזכיר את השניים שלדעתי הם החשובים ביותר. הראשון הוא להשתמש בהם לריפוי מחלות על ידי החדרתם לרקמות פגועות. תאי הגזע יכולים להתמיין לתאים הנחוצים ברקמה, למשל במחלות של ניוון עצבים ואחרות. השימוש השני הוא פיתוח מודלים למחקר של מחלות גנטיות. ניתן לקחת תאים מאנשים חולים, להחזיר את התאים למצב של תאי גזע ואז לגרום לתאים להתמיין לכאלה שמהם נוכל ללמוד על התפתחות והשפעות של המחלה וגם לנסות עליהם תרופות חדשות (כתבתי על זה בעבר כאן וכאן).

ישנן כמובן גם בעיות עם השיטה. שתי הבעיות העיקריות להבנתי הן: 1) חלק מהפקטורים וגם שיטות ההשתלה של הגנים שבהם נעשה שימוש חשודים שגרמו לגידולים סרטניים בעכברים. כיום מנסים לעשות שימוש בפקטורים מעט שונים ובשיטות השתלה אחרות. 2) יעילות התהליך נמוכה מאוד (חלקי אחוז). אחד הפתרונות המוצעים הוא הוספת פקטורים להעלאה חדה ביעילות כפי שפורסם השנה על ידי דר' יעקוב חנא ממכון ויצמן.

לסיכום, לא במקרה נשבר השיא לגבי פרק הזמן הקצר שעבר בין התגלית לבין פרס הנובל. יש כאן שילוב נדיר של התקדמות של הידע התיאורטי וההבנה הבסיסית של הביולוגיה ובו בזמן פיתוח כלי מעשי למחקר ולרפואה של המחר.

————————————————–

לקריאה נוספת:

הרקע התיאורטי לנושא מאתר פרס הנובל (פדף).

פוסט של רועי צזנה על הנושא מזווית קצת אחרת.

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 16:"בוא נייצר ריר ביחד", על התנהגות חברתית ותקשורת בין חיידקים

נפגשתי עם דר' רועי וידבסקי כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

רועי הוא פוסט-דוקטורנט במחלקה למיקרוביולוגיה מולקולארית וביוטכנולוגיה באוניברסיטת תל-אביב. הוא עובד במעבדתו של דר' אביגדור אלדר ועיקר עניינו הוא תקשורת בין חיידקים. רועי ואשתו חולקים את ביתם עם חיות מחמד רבות, ובזמנם הפנוי נהנים לרקוד ריקודים סלוניים.

רועי, אז מה אתם עושים שם?

הנושאים העיקריים שבהם עוסקת המעבדה הם האבולוציה וההתפתחות של התקשורת בין חיידקים. בעבר היה נהוג לחשוב שחיידק הוא תא בודד שדואג לעצמו ואינו מקיים אינטראקציה עם חיידקים אחרים, אך היום ברור שחיידקים 'מדברים' אחד עם השני. השפה של חיידקים היא שפה פשוטה מאוד המתבססת על שליחה וקליטה של מולקולות קטנות. השפה הזאת מאפשרת להם להתנהג בצורה חברתית, כלומר חיידקים יודעים לזהות אחד את השני בתוך הקבוצה ולפעול למען הכלל.

האם ישנה דוגמה מוכרת להתנהגות חברתית של חיידקים?

כן, קח לדוגמה את הפלאק בשיניים שכולנו מכירים ולא אוהבים (ע"ע קריוס ובקטוס). הפלאק הוא אחת הדוגמאות למשהו שנקרא ביופילם (ראו איור 2). ישנם חיידקים מסוגים מסוימים שנדבקים אל משטחים, ואז בעקבות התקשורת ביניהם הם מזהים אחד את השני ומתאגדים ביחד למבנה רב תאי. במבנה זה חיידקים שונים באזורים שונים מקבלים על עצמם תפקידים שונים. חלקם מייצרים מזון, חלקם מהווים מעטפת שמגינה עליהם מפני חומרים אנטיביוטיים וישנם גם תפקידים נוספים. ניתן למצוא ביופילם גם על פילטרים, על מדחפים של אוניות, במכוני שפכים ועוד.

Staphylococcus_aureus_biofilm

תמונה 1: ביופילם של החיידק Staphylococcus aureus. המקור לתמונה: ויקיפדיה, המקור למקור CDC.

חשוב לצחצח שיניים! כעת בוא נחזור אליכם למעבדה, ספר לי על העבודה.

יש בקבוצה שני כיווני מחקר ראשיים: אבולוציה והתפתחות.

אחד הנושאים שמעניינים אותנו למשל בהיבט האבולוציוני הוא יחסי הגומלין בין 'יצרנים' ל-'רמאים'. מדובר בתתי-אוכלוסיה בתוך אוכלוסיות של חיידקים. חיידקים 'יצרנים' הם כאלה המפרישים חומרים שנחוצים להשגת מזון מהסביבה. חיידקים 'רמאים' הם כאלה שנהנים מהתוצרים אך לא מייצרים את החומרים בעצמם. אנחנו מעוניינים להבין את יחסי הגומלין בין שני סוגי האוכלוסיות והיכן נמצאים היתרונות האבולוציוניים במערכת.

בנושא ההתפתחות אנחנו מנסים לאפיין מערכות תקשורת ולהבין איך הן פועלות במצבים שונים של התנהגות חברתית של חיידקים.

תוכל לתת דוגמה?

כן, בוא נדבר על 'swarming'. כאשר חיידקים, למשל מסוג Bacillus subtilis (ראו תמונה 2) שמשמש אותנו כמודל מחקר, נמצאים על מצע חצי-מוצק, נניח סוג של ג'ל, ומרגישים שבסביבתם כבר אין שפע של מזון הם מתאגדים יחדיו ומחליקים להם למקום טוב יותר. חיידק יחיד אינו יכול לשפר עמדות בצורה כזאת לבדו. בתהליך זה מספר רב של חיידקים מפרישים חומר סיכה העוזר להחלקה. כיום עדיין לא ברורה חלוקת התפקידים בתוך אוכלוסיית החיידקים בתהליך הזה. כמו כן, לא ברור אילו גנים מעורבים בתהליך, מה התפקיד שלהם ומתי הם פועלים.

Bacillus_subtilis

תמונה 2: Bacillus subtilis צבוע תחת מיקרוסקופ. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

כדי לעקוב אחרי רמות ביטוי של גנים מסוימים (כמה חלבונים נוצרים) בזמן פעילות חברתית שינינו אותם כך שבזמן פעולתם הם מייצרים גם חלבון פלואורסנטי שאותו ניתן לראות תחת מיקרוסקופ מתאים. את החיידקים אנחנו מגדלים על מצע של מזון תחת עינו הבוחנת של המיקרוסקופ. בצורה זאת אנחנו יכולים למפות את עוצמת הביטוי של הגנים בזמן ובמרחב תוך כדי תהליך ה-swarming, ולראות באילו חיידקים ובאיזה שלב של התהליך מתבטאים אותם גנים.

כיצד מתבצעת תקשורת בין חיידקים?

חיידקי ה- Bacillus בהם אנחנו משתמשים מייצרים חלבונים קצרים הקרויים פפטידים שאותם הם מפרישים החוצה. לחיידקים יש גם את היכולת לחוש את הימצאותם של אותם פפטידים באמצעות קולטנים שאליהם הם נקשרים וגורמים להפעלה של גנים. כלומר יש בחיידק רכיבי שידור וקליטה. אותם 'רמאים' למשל שהזכרנו קודם הם חיידקים שמסוגלים להפריש אבל לא לקלוט עקב קולטנים פגומים. הם בעצם 'חרשים' ולכן אינם מתנהגים כמו שאר האוכלוסיה.

ספר לי על אחד הפרויקטים שאתה עובד עליהם

אני מעוניין לייצר מערכת תקשורת סינטטית שתשמש אותנו ככלי עבודה ותהיה נוחה וקלה יותר לתפעול אך עדיין תאפשר מחקר של סוגיות הקשורות לתקשורת אמיתית בין חיידקים. הרעיון הוא לייצר שלושה וריאנטים של אותו חיידק Bacillus subtilis שהזכרתי קודם. אחד שרק משדר, אחד שרק קולט ואחד שיכול לבצע את שתי הפעולות.

כדי לייצר את שלושת הוריאנטים מבלי לפגוע בגנים הטבעיים של החיידק השתמשתי בטכניקות של הנדסה גנטית כדי להשתיל מערכת תקשורת (גנים לקולטנים וגנים לייצור הפפטידים) מקרוב משפחה שלו – Bacillus cereus. כלומר ייצרתי אוכלוסיה שיש בה רק משדר ואוכלוסיה שיש בה רק מקלט. מכיוון שגם המשדר וגם המקלט נלקחו מחיידק אחר אין ערבוב של האותות או 'דיבור' בין המערכת המקורית למערכת המושתלת.

ואם כבר השתלנו מערכת, למה שלא נכניס בה כמה שיפורים. המערכת המושתלת מייצרת חלבונים פלואורסנטיים בזמן קליטה, ויש בה גם כפתור ווליום לעוצמת השידור. בנינו אותה כך שאנחנו יכולים לשלוט על קצב ייצור הפפטידים בצורה חיצונית באמצעות הוספה של סוכרים מסוימים. החיידקים והמערכת שייצרנו אינם קיימים בטבע ולכן נקראים 'סינטטיים'.

ואחרי שייצרת את המערכת, האם היא מוכנה לפעולה?

לא, מה פתאום. צריך לאפיין ולכייל את האלמנטים המרחביים שלה כך שתתאים לניסויים אותם אנחנו מעוניינים לבצע, או לחלופין, יש להבין אילו שאלות ניתן לחקור בעזרתה.

למה אתה מתכוון?

נניח לדוגמה שיש לי חיידק שמפריש סיגנל. המולקולות המופרשות מתפשטות בתהליך של דיפוזיה. אם אני רוצה לבצע מחקר באמצעותו אני חייב לדעת מה אופי התפשטות האות בזמן ובמרחב, כלומר לדעת מהי עוצמת האות (ריכוז מולקולות) במרחקים שונים מהמשדר כתלות בזמן ולחפש תנאים מתאימים לעבודה (שלא יהיה מהיר מידי למשל).

איור ניסוי הדיפוזיה
איור 3: ניסוי המראה את מיפוי הדיפוזיה של הפפטידים בזמנים שונים הממוספרים מ-1 עד 4 בסדר עולה. ככל שהחיידק הקולט אדום יותר כך הגיעו אליו יותר פפטידים.

תחת המיקרוסקופ אנחנו מחפשים את האור הפלואורסנטי שנוצר כאשר אות השידור (פפטיד) נקלט על ידי חיידק מקלט. כך אנחנו יכולים למדוד מתי נוצרת הארה, מה עוצמתה ומה המרחק שלה מהחיידקים המשדרים. ככל שהקולטן רחוק מהמשדר כך נצפה שעוצמת ההארה תהיה נמוכה יותר מכיוון שפחות פפטיד הגיע אליו (ראו איור 3).

כאשר כלי המחקר יהיה מוכן נוכל להשתמש בו כדי לשאול את השאלות שמעניינות אותנו. נוכל למשל לעקוב אחרי פעולת גנים הקשורים להתנהגות חברתית ולראות איך רמות ביטוי שונות שלהם משפיעות על האוכלוסיה (התפתחות), או לבדוק את ההשפעה של ריכוזי רמאים באוכלוסיה (אבולוציה).

——————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו :-)

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 10: על פיתוח מודל-מחקר למחלות 'יתומות'

נפגשתי עם שרון לפלר כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

שרון נמצא בשלבי סיום של עבודת הדוקטורט במחלקה לחקר התא ואימונולוגיה בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל-אביב. את מחקרו הוא מבצע במעבדה של פרופ' מיגל וייל.

שרון, אז מה אתם עושים שם?

באופן כללי המעבדה עוסקת בנושא התפתחות עוברית, כלומר בשאלה כיצד מתפתח תא בודד (ביצית מופרית) לעובר שלם המכיל סוגים רבים ומגוונים של תאים. נושא נוסף שבו אנחנו עוסקים הוא התמיינות עצבית, כלומר התמיינות של תאי גזע עובריים לתאי עצב, וחקר מחלות הגורמות לפגיעה במערכת העצבים.


איור 1: מבנה אופייני של תא עצב כפי שהועלה לויקיפדיה על ידי Quasar Jarosz.

איך חוקרים מחלות מהסוג הזה?

ראשית, יש צורך במודל מחקר. כיום רוב המעבדות עוסקות במודל עכברי. הכוונה היא שמשרים בעכבר מחלה בעזרת מוטציה או טיפול תרופתי, כאשר יש לזכור שהמחלות האלה ידועות כיום רק באדם. הבעיה עם מודל זה היא שהעכבר הוא לא בדיוק אדם, והגנים שלו 'מתנהגים' אחרת. מצד שני, לא ניתן לחקור את המחלה ישירות בבני אדם מכיוון שלא ניתן לבדוק את תאי העצב בגופו של החולה או לגדל אותם בתרבית תאים. הפיתרון הוא שימוש בתאי גזע.

מהם תאי גזע?

הגוף שלנו מורכב מסוגי רקמות ותאים שונים מאוד אחד מהשני. תא שריר שונה מתא עצב או תא עור. זאת למרות שמקורם של כל התאים הוא מתא אחד ראשוני שנוצר מאיחוד של תא הביצית מהאם ותא זרע מהאב. תהליך ההתפתחות של העובר כולל חלוקה של התאים והתמיינות לתפקידים. תא גזע הוא תא שעוד לא התמיין ויש לו את הפוטנציאל להפוך לכל סוג תא.

איך קשורים תאי הגזע לפיתוח מודל מחקר משופר למחלות?

הצעד הראשון הוא להשיג תאי גזע עובריים נורמליים. הצעד השני הוא ללמוד כיצד לגרום לתאי הגזע להתמיין רק לסוג התאים אותם אנו מעוניינים לחקור, תאי עצב (ראו תמונה 2). במקביל, הצעד השלישי הוא להפיק, באופן דומה, קו תאי גזע מעובר מבחנה שמכיל את המוטציה.

תמונה 2: תהליך התמיינות של תאי גזע לתאי עצב. המקור לתמונה: שרון*. תאי גזע עובריים של אדם שגודלו בתרבית תאים על גבי פיברובלאסטים ממקור אנושי. את תאי הגזע מגדלים על שכבת תאים המשמשים כשכבת הזנה (על "feeder layer" תמונה שמאלית). כדי לגרום להם להתמיין אוספים ומגדלים אותם כצבר תאים בתרחיף (תמונה מרכזית), ומוסיפים להם חומרים שונים שגורמים להם להתמיין לנוירונים (תמונה ימנית, לאחר 10 שבועות מיון- צבועים בצבע פלורסנטי מיוחד ירוק-תאי עצב. כחול-גרעיני התאים).

אז מהיכן מגיעים התאים האלה?

ראשית כדאי להזכיר שהמחקר בתאי גזע עובריים בעייתי מאוד במדינות רבות בעולם בגלל גישת הדת הנוצרית שגורסת שמרגע ההתעברות, ישנו יצור חי שיש להגן עליו. היהדות, לעומת זאת, אינה מחזיקה בדעה זאת. מבחינת היהדות העובר נחשב ישות רק מגיל 40 יום. זאת אחת הסיבות שאין מניעה עקרונית לעסוק במחקר בתאי גזע בישראל, בכפוף, כמובן, לועדת הלסינקי.

במהלך ביצוע הפריה מלאכותית, כאשר העובר מכיל רק שמונה תאים, ניתן לקחת אחד מהם למטרת בדיקה גנטית, כך ששבעת התאים הנותרים יוכלו להמשיך ולהתפתח בצורה בריאה.

כאשר שני הורים הם נשאים של מוטציה גנטית הקשורה למחלה קשה (לדוגמא סיסטיק פיברוזיס), חייבים ההורים לבצע הפריה מלאכותית, כדי לוודא שהעובר בריא. ניתן לבדוק האם אותו תא שלקחנו מכיל שני עותקים של הגן הפגום (ראו איור 3). אם שני העותקים תקינים, שבעת התאים הנותרים יוכלו להמשיך ולהתפתח בצורה בריאה. אם שני העותקים נושאים מוטציה, לא ישתמשו בתאים הנותרים לצרכי הריון, אך ניתן להשתמש בהם לצרכי מחקר של המחלה. את תאי הגזע ניתן לגדל בצלחת, כאשר יש לבצע טיפולים מיוחדים כדי לשמור עליהם שלא יתמיינו.


איור 3: מה הכוונה במוטציה גנטית, ומה הסיכוי לצאצא חולה?

איזה מחלה אתם חוקרים במעבדה?

המחלה נקראת דיסאוטונומיה משפחתית (FD – Familial Dysautonomia) והיא מופיעה בעיקר ביהודים בישראל ובארה"ב שהם יוצאי אשכנז מאזור מסוים, ולכן היא נדירה מאוד. החולים נולדים עם בעיות גם במערכת העצבים הלא רצונית שאחראית בגוף, בין היתר, על ויסות לחץ דם, ויסות חום גוף ועל עיכול, וגם במערכת העצבים הסנסורית שאחראית על קליטת גירויים מהסביבה. בעבר לא הכירו את המחלה והתינוקות החולים לא שרדו, אך כיום בסיס הידע גדול יותר ובעזרת טיפולים שונים החולים מאריכים ימים. כיום יודעים לזהות את הגן הבעייתי, אך לא יודעים מהם התפקידים של החלבון הפגום שנמצא בכל תא בגוף.

את קו תאי הגזע עם הגן הפגום הפיק פרופ' בנימין ראובינוף מבית החולים הדסה עין כרם. בשיתוף עם המעבדה שלו פיתחנו תהליך, שאורך כחודשיים, ושבסופו התאים מתמיינים לתאי העצב שמעניינים אותנו. השימוש בתאים אלה לצורך פיתוח מודל מחקרי הוא חדש, ייחודי ופורץ דרך בקנה מידה עולמי.

בהמשך היה עלינו לחזור על התהליך עבור התאים החולים, כאשר לא היינו בטוחים האם בכלל יכולים התאים החולים להתפתח לתאי עצב. התוצאות שקיבלנו מראות שהתאים בתרבית נראים כמו תאים שמתפתחים מעובר בריא, כלומר לא מדובר בכשל מערכות מלא בהתפתחות תאי העצב. כעת אנחנו עדיין חוקרים את ההבדלים בין התאים החולים והבריאים במספר כיוונים שונים, אך בד בבד יש בידינו מערכת מודל מוכנה לשלב הבא.

מהו השלב הבא?

בימים אלה מוקם אצלנו במעבדה רובוט חדש שמבצע תהליך drug screening בעזרת מיקרוסקופ אוטומטי. אנחנו מזינים לרובוט מספר רב של חומרים והוא בודק את התגובה של תאים אליהם. הרובוט מסוגל לבדוק כמות גדולה מאוד של חומרים ולנטר אחרי מספר רב של פרמטרים במהירות שאינה אפשרית עבור חוקר אנושי. בעזרת מערכת המודל שפיתחנו נוכל למצוא בעיה בתאים החולים ואז לחפש חומר שמתקן אותה.

אנחנו יודעים, למשל, שבאנשים הלוקים בדיסאוטונומיה משפחתית יש רמה נמוכה של חלבון ה-FD, ואפילו קיים חומר ממקור צמחי שעוזר, אך הבעיה היא שהוא רעיל. בעזרת הרובוט ניתן לבדוק כמות גדולה של נגזרות של החומר על תאי המודל, בתקווה למצוא אחת יעילה ובטוחה שתעלה את רמת החלבון בתאים. תרופה כזאת תוכל למנוע התדרדרות במצב החולים, להעלות את רמת חייהם ואולי אף יותר מכך.

זה לא בעצם מה שחברות תרופות עושות?

כן, אבל יש לזכור שמדובר בדוגמא קלאסית למושג 'מחלות יתומות'. לחברה שמטרתה רווח כלכלי אין את התמריץ להשקיע כסף וזמן רב כל כך במציאת תרופה למחלה נדירה כל כך עם מספר חולים נמוך כל כך. כמו כן, יש לזכור שמעבר למציאת תרופה למחלה, תוך כדי הניסיון להבין את ההבדלים בין נוירון בריא לחולה, אנו גם צוברים ידע ביולוגי בסיסי רב, שיכול לתרום גם להבנת מחלות עצביות אחרות.

——————————————————————

במהלך ראיון זה בחרתי לדון אך ורק בהיבט המדעי של הנושא, אך קיים גם היבט אישי. מי שמעוניין, מוזמן לצפות בתוכנית פנים אמיתיות בערוץ 10 שבה סיפר פרופ' מיגל וייל לעיתונאי אמנון לוי את סיפורו האישי.

——————————————————————

המחקר נעשה בשיתוף ובחלקו במימון  העמותה הישראלית לדיסאוטונומיה משפחתית.

המאמר בנושא, מתוכו לקוחה תמונה 2:

* Valensi-Kurtz M1, Lefler S1, Cohen M, Aharonowiz M, Cohen-Kupiec R, Sheinin A, Ashery U, Reubinoff B, Weil M: "Enriched population of pns neurons derived from human embryonic stem cells as a platform for studying peripheral neuropathies". PLoS One 2010;5:e9290.

1 equal contribution

——————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו :-)

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 3: על זאבים, ארנבים וחלבונים שמדכאים אחד את השני

נפגשתי עם פַּאוֹ פוֹרְמוֹזַה-ז'ורדן (Pau Formosa Jordan) כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

פאו הוא ספרדי-קטלוני יליד ברצלונה שבא לישראל לארבעה חודשים של התמחות לקראת סיום עבודת הדוקטורט שלו בביופיזיקה בקבוצה של פרופ' מרתה איבנז-מיגז (Marta Ibañes Miguez). הראיון התנהל באנגלית ואני תרגמתי כמיטב יכולתי. בברצלונה פאו הוא תיאורטיקן שבד"כ עובד עם עיפרון, נייר ומחשב. לישראל הוא בא כדי להתנסות בקבוצה של דר' דוד שפרינצק בפקולטה למדעי-החיים באוניברסיטת תל-אביב, שבה משלבים גם תיאוריה וגם ניסויים.

פאו הוא גם רקדן חובב ואוהב במיוחד מחול מודרני ולינדי הופ. בזמנו הפנוי בישראל הוא מצא קהילה תוססת של רקדנים משני הסוגים.

פאו, אז מה אתם עושים שם?

באופן כללי, אנחנו מעוניינים לחקור מערכות ביולוגיות, כגון רקמות של צמחים וחיות, בעזרת כלים שלקוחים מתחום הפיזיקה והמתמטיקה. חלבונים, שהם אבני הבניין של התא, מעניינים אותנו מאוד. אנחנו חוקרים למשל את הדינאמיקה שלהם בתוך התא בעזרת מודלים פיזיקאליים. גישה זאת יכולה לנפק מידע ותחזיות כמותיות ומדויקות שקשה לקבל מעבודה ביולוגית סטנדרטית.

אחת התופעות שאנו חוקרים היא סידור מרחבי של תאים ברקמה. בתחילת תהליך ההתפתחות של רקמה, כל התאים הם זהים, אך בהמשך הם מתמיינים לסוגי תאים שונים. למשל, ישנן רקמות שבהן חלק מהתאים יתמיינו לתאי עצב וחלק לא. אם נבחן את פיזור תאי העצב ברקמה, נגלה שהם מפוזרים באופן אחיד ובמבנה מסודר, כאשר תאי עצב אינם נוגעים אחד בשני (ראו איור).

שתי שאלות המפתח הן: כיצד נבחרים התאים שיהפכו לתאי העצב, וכיצד נשמר הסידור המרחבי במהלך תהליך ההתפתחות של הרקמה.


ריצוף הקסגונלי כתיאור סכמטי לסידור התאים ברקמה. המשושים האדומים מסמלים תאים שיהפכו להיות תאי עצב. המקור לתמונה: פאו.

האם התשובות לשאלות האלה ידועות?

בצורה חלקית כן, והן גם קשורות לאותו מנגנון.

הסידור מרחבי מהשאלה השניה רומז לנו שסוג מסוים של מידע חייב לעבור בין התאים. תא שמחליט להפוך לתא עצב צריך לתקשר ולתאם עם סביבתו כדי שהוא יהיה היחיד. וזה בעצם הנושא שאנחנו חוקרים: כיצד התקשורת בין התאים גורמת להיווצרות הסידור המרחבי ברקמה.

איך בעצם תאים 'מדברים' אחד עם השני?

השפה היא ביוכימית, שפה של אינטראקציות בין חלבונים. במקרה שאנחנו חוקרים, חלבון שנמצא על הדופן של תא אחד מתחבר לחלבון מסוג אחר שבדיוק מתאים לו, ונמצא על דופן של תא שכן. האינטראקציה בין שני החלבונים מייצרת שרשרת של תגובות כימיות שבסופה קצב הייצור של חלבונים כלשהם בתא יגדל או יקטן בתגובה.

אז איך יכולה 'שיחה' כזאת לייצר סידור מרחבי של תאים ברקמה?

במערכת התקשורת הבין תאית שאנו חוקרים, למשל, תא שעומד להפוך לתא עצב מייצר חלבון שנקרא 'Delta'. החלבון מגיע לדופן התא ונקשר לחלבון אחר על הדופן של התא השכן שנקרא 'Notch'. האינטראקציה ביניהם מייצרת אות ביוכימי בתא השכן שגורם לירידה בפעילות של הגן שאחראי ליצירת החלבון 'Delta'. מכיוון שהתנאי להתמיינות לתא עצב הוא ריכוז גבוה של 'Delta', אז מובטח שהתא השכן לא יהפך גם הוא לתא עצב. כלומר, ישנה תחרות בין התאים, והתא שינצח 'משדר' הכי חזק לכל שכניו שהוא הופך לתא עצב. דבר זה ימנע מהם להתמיין בצורה דומה, ותהליך הזה נקרא בשפה המקצועית 'lateral inhibition'.

היכן נכנסת כאן הגישה של ביופיזיקה?

אני אנסה להסביר דרך אנלוגיה. דמיין יער שבו ישנן שתי אוכלוסיות שגרות במקביל: ארנבים וזאבים. הזאבים מתרבים בקצב מסוים שתלוי בהרגלי הרבייה שלהם, אך גם בכמות הארנבים שאותם הם אוכלים. הארנבים מתרבים בקצב מהיר יותר, אך מספרם תלוי גם במספר הזאבים הרעבים. אנו מעוניינים לתאר את מספרם של הארנבים והזאבים לאורך זמן.

נוכל לכתוב סט של משוואות שאחת תתאר את קצב השינוי במספר הזאבים כתלות בשאר הפרמטרים (כולל מספר הארנבים). השניה תתאר את קצב השינוי במספר הארנבים (כולל תלות במספר הזאבים). כעת נוכל לפתור את סט המשוואות, הנקראות משוואות קצב, ולקבל תיאור של הדינאמיקה של המערכת זאבים-ארנבים, בהינתן הפרמטרים של הבעיה.

בצורה דומה, ניתן לתרגם את הסיפור של החלבונים 'Notch' ו-'Delta' לסט של משוואות וללמוד על התכונות הדינמיות של התהליך הזה בצורה כמותית. מתוך המודל הזה ניתן לייצר תחזיות ולבדוק אותם בניסוי.


זאב מצוי וארנבת מצויה מהרהרים בנושא משוואות קצב. המקור לתמונות: ויקיפדיה וויקיפדיה.

ספר לי על פרויקט שעבדת עליו לאחרונה

הרשתית המתפתחת בעובר של בעלי-חוליות היא אחת המערכות שבהן מתרחש תהליך ה-'lateral inhibition' בזמן ההתמיינות לתאי עצב. קיים מידע ממחקרים קודמים על תהליך זה, אך עדיין לא ברור איך הוא בדיוק קורה. בתחילת התהליך כל התאים שמרכיבים את הרשתית זהים. בשלב מסוים מגיע חלבון מיוחד מהרשתית (בעגה המקצועית: מורפוגן) שגורם לקבוצת תאים במרכזה להתחיל את תהליך ה-'lateral inhibition' ביניהם. מקצתם יתמיינו לתאי עצב ובעקבות זה יפרישו עוד מורפוגן. פעולה זאת תגרום לעוד תאים, מרוחקים יותר מהמרכז, להתחיל בתהליך ה-'lateral inhibition' וכך הלאה. בצורה זאת, תהליך ההתמיינות של תאי הרשתית נעשה במעגלים הולכים וגדלים סביב נקודת ההתחלה (ראו איור).

ציור סכמטי של רקמת הרשתית המתמיינת בבעלי-חוליות. צבע כחול מסמל תאים שבהם לא מתרחש תהליך ה-'lateral inhibition', צבע אדום מסמל תא שהתמיין לתא עצב וצבע לבן מסמל תא שלא התמיין לתא עצב אבל עדיין יכול. המספרים והחצים מסמנים התקדמות בזמן. המקור לתמונה: פאו.

אנחנו רצינו לחקור את תפקידו של חלבון ה-'Delta' בתהליך, במיוחד באזורים שאליהם תהליך ה-'lateral inhibition' עוד לא הגיע, ומה קורה אם הוא לא מיוצר בכמות מספקת. המחקר התמקד ברשתית של עוברי אפרוחים אבל ניתן להרחבה לאורגניזמים אחרים. קשה מאוד לייצר באופן מבוקר רשתית שבה אין 'Delta' באזורים המתאימים לניסוי. מה שבחרנו לעשות במקום הוא לייצר מודל מתמטי מקורב ומפושט שידמה את המערכת על ידי שימוש במספר מינימלי של אלמנטים. במודל זה יהיה קל 'למחוק' את ה-'Delta' מאזורים מסוימים. את המודל פתרנו, עבור פרמטרים שונים, בעזרת תכנת מחשב. הצעד הראשון היה לבדוק שניתן בעזרת התכנה לשחזר את התוצאות שמתקבלות בניסוי עם רקמה אמיתית. הצעד השני היה להריץ את התכנה ללא ה-'Delta' באזורים שאינם עוברים התמיינות.

מה גיליתם על תפקידו של 'Delta' במערכת?

גילינו שלושה דברים עיקריים שמשתבשים בהתפתחות הרשתית ללא 'Delta' באזורים שאינם עוברים התמיינות. הראשון הוא שתחת תנאים מסוימים עלולים להיווצר יותר מידי תאי עצב. השני הוא שאזור ההתמיינות כבר לא גדל בצורה מעגלית, כלומר במהירות שווה לכל הכיוונים. והשלישי הוא שההתרחבות של אזור ההתמיינות מתרחשת מהר יותר מהמצב הרגיל. כל אחת משלושת הבעיות האלה תוביל לקטסטרופה בהתפתחות של עובר אמיתי. לכן ההבנה של התפקיד הזה של החלבון 'Delta' עלולה להועיל למי שלומד על התפתחות תאי העצב והמחלות הקשורות לנושא, ויהיה מעניין לבדוק את התוצאות התיאורטיות בניסוי.

————————————————————

לקריאה נוספת:

המאמר הטכני על עבודתו של פאו בנושא התפתחות הרשתית (דורש הרשאה):

Pau Formosa-Jordan, Marta Ibañes, Saúl Ares, and José María Frade. 'Regulation of neuronal differentiation at the neurogenic wavefront'. Development, 139, 2321-2329 (2012) doi:10.1242/dev.076406

תוכנית 8 של הפודקאסט המומלץ 'הכוורת' בנושא רלוונטי (ולא במקרה…): 'האם ביולוג יכול לתקן רדיו?'.

————————————————————-

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂