צעד חשוב בהבנת תהליך ביטוי גנים: יצירת פקטורי שיעתוק סינתטיים

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב ומכון ויצמן למדע הצליחו לייצר לראשונה פקטורי שיעתוק סינתטיים לחקירת האינטראקציה של החלבונים החיוניים האלה עם דנ"א. התגלית צפויה להוביל להבנת תהליכים מורכבים הקשורים בביטוי גנים ובכך להשפיע על תחומי מחקר רבים בביולוגיה ורפואה.

את המחקר, שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Angewandte Chemie הובילו צוותי המחקר של ד''ר מוחמד ג'בארה מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב ועמיתו ד''ר אריאל אפק מהמחלקה לביולוגיה כימית ומבנית ממכון ויצמן למדע.

פקטורי שיעתוק (Transcription Factors) הם חלבונים חשובים השולטים בקצב השיעתוק של החומר הגנטי. חלבונים אלה מווסתים ביטוי גנים על ידי אינטראקציה סלקטיבית עם רצפי דנ"א מסוימים כדי להפעיל או לדכא גנים ספציפיים על ידי מנגנוני ''הדלקה וכיבוי'' מורכבים. זהו תהליך קריטי על מנת לוודא שגנים באים לידי ביטוי בתאים הרצויים בזמן הנכון ובכמות הנכונה לאורך כל חיי התא. לפיכך, חלבונים אלה משחקים תפקיד קריטי בהתפתחות ובתפקוד כל האורגניזם.

לפקטור השיעתוק "מאקס" תפקיד מרכזי בוויסות 15% מהגנים  בגנום האנושי. חלבון זה מעורב במספר תהליכים תאיים מרכזיים הכוללים חלוקה, התמיינות ומוות של תאים ולכן, פגיעה בפעילותו  מעורבת במחלות רבות ובהן סרטן (70%). הבנת התפקוד של פקטורי שיעתוק כמו מאקס והקישור שלהם לדנ"א הוא שלב קריטי להבנת הבקרה על תהליכי ביטוי גנים וכיצד תורם כישלון בבקרה להתפתחותן של מחלות.

במחקרים רבים הוצע ששינויים מבניים על פני השטח של פקטורי שיעתוק משפיעים על פעולתם ותפקודם התקין בתא. פריצת הדרך במחקר החדש מבוססת על הצלחתם של החוקרים ליצור חלבונים סינתטיים הזהים לפקטורי השיעתוק הטבעיים בתא באופן כימי ובכך לחקור את פעילותם באופן מבוקר ומדויק.

החוקרים פיתחו אסטרטגיה כימית חדשנית לבניית ספריה של פקטורי שיעתוק לחקירה ממוקדת של ההשפעה של מודיפיקציות טבעיות כמו זרחון על הפעילות של מאקס. הם שילבו סינתזה כימית על מצע מוצק וכימיה סלקטיבית בתמיסה לבניית אנאלוגים סינתטיים לחלבון מאקס, תוך כדי החדרת מודיפיקציות כמו זרחון וסימונים פלורוסנטיים ברזולוציה גבוהה. באמצעות בדיקות ביוכימיות החוקרים הוכיחו שהחלבונים הסינתטיים שהכינו זהים לחלבונים הטבעיים בתאים.

הפיתוח אפשר את הבנת פעילותו של החלבון מאקס, ובאופן ספציפי את השפעת הזרחון על החלבון על זיהוי וקישור אתרי דנ"א חיוניים. החוקרים מצאו שהזרחון משפיע על יעילות הקישור של מאקס לדנ"א, וזה אף  שיבש את הקישור לדנ"א. בנוסף הם גילו שהמיקום של אתר הזרחון הוא בעל חשיבות קריטית על הפעילות של מאקס וקישורו לדנ"א. כמו כן, על ידי סריקה של קישור החלבון  לאלפי רצפי דנ"א, על ידי שימוש בטכנולוגיית High throughput screening, הראו החוקרים שלמרות שיבוש הקשר לדנ"א, הזרחון לא משנה את ההעדפה של מאקס לרצפים הספציפיים בגנים אותם הוא צריך להפעיל. החוקרים מציינים כי מנגנון זה יכול לשמש כמתג להגברת ודיכוי פעילותו של מאקס לוויסות ביטוי גני מטרה.

פיתוח טכניקות סינתטיות ליצירת  חלבונים כגון פקטורי שיעתוק חיוני לאפיונם ולהבנתם של מנגנונים ביולוגיים מורכבים. החוקרים צופים כי פיתוחים סינתטיים ממחקר זה יסללו את הדרך עבור מערכות שיעתוק אחרות ומציינים כי המחקר מהווה בסיס להבנתן של מודיפיקציות נוספות מעבר לזרחון. מעבר לכך, הם צופים כי לשיטות תהיה חשיבות להנדסה ולפיתוח מולקולות חדשניות היכולות לשמש להגברת ודיכוי ביטוי גנים ועל ידי כך לתרום לתחומי מחקר אחרים בביולוגיה ורפואה.