איך מעתיקים מיליארדי אותיות בשעות ספורות?

שכפול DNA הוא אחד מהתהליכים הבסיסיים בביולוגיה, בלעדיו תאים אינם יכולים להתחלק וחיים לא יכולים להתפתח. אולם זהו גם תהליך מורכב במידה כמעט בלתי נתפסת, שבו התא נדרש, במקרה של הגנום האנושי, להעתיק 3.5 מיליארד בסיסים, או "אותיות" של DNA, בתוך מספר שעות – ולעשות זאת בדיוק גבוה ככל הניתן. כדי להשלים משימה כבירה זו, לכל תא יש מנגנונים ייעודיים שמטרתם לאפשר להתגבר על "באגים" שתוקעים את תהליך השכפול. חלק מאותם מנגנוני מעקף-באגים עושים זאת תוך שמירה על המידע הקיים ב-DNA המקורי, בעוד שאחרים פשוט ממלאים את המקטעים הבעייתיים ב-DNA באותיות אקראיות, ובכך מוסיפים מוטציות לגנום.

"שלוש מתוך ארבע מוטציות הקיימות בכל אורגניזם נגרמות על ידי מנגנון זה", מסביר פרופ' מרטין קופייק מבית הספר שמוניס לביו-רפואה וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב. "מוטציות נתפשות לרוב בתור טעויות מצערות ומעודדות מחלות. אולם מוטציות גם אחראיות ליצירת השונות באוכלוסייה הנדרשת כדי לאפשר את הברירה הטבעית והאבולוציה". מחקריו של פרופ' קופייק מתמקדים בהבנת המנגנונים שמיועדים לשמור על יציבות ה-DNA ועל השכפול המדויק שלו בעת התחלקות התאים.

במחקר חדש שפורסם בכתב העת המדעי International Journal of Molecular Studies, חוקרים במעבדתו זיהו גורם מרכזי בתהליך ה"בחירה" של התא בין מנגנוני מעקף-באגים שונים בעת תהליך שכפול ה-DNA שקובע אם תתווסף ל-DNA החדש מוטציה נוספת או לא. בנוסף להעמקת ההבנה של תהליכי יסוד בביולוגיה, הגילוי גם מטיל אור חדש על גורמים המעורבים בהתפתחות סרטן ומחלות נוספות.

להחליף למבורגיני בג'יפ
"מדוע התא משתמש במנגנון תיקון שגורם למוטציות אם קיימות חלופות אחרות? תאים חייבים לגמור להעתיק את כל הגנום בזמן מוגבל. אפשר לדמיין את תהליך שכפול ה-DNA בתור למבורגיני שדוהרת בכביש, עד שהיא מגיעה לבור באספלט. אם היא לא תמשיך בנסיעתה, התא לא יצליח להשלים את שכפול ה-DNA. הפתרון: הלמבורגיני מתחלפת בג'יפ שחוצה באיטיות את הבור, ולאחר מכן הלמבורגיני חוזרת לנסיעה במהירות גבוהה", אומר פרופ' קופייק. "באנלוגיה הזו, הג'יפ הוא האנזים הלא מדויק והאיטי שמאפשר לצלוח את הבור, אבל מותיר מאחוריו מוטציות".

כדי להבין טוב יותר את תהליכי שכפול ה-DNA וכיצד מתקבלת ההחלטה בין השימוש במנגנוני ה"למבורגיני" וה"ג'יפ", במעבדתו של פרופ' קופייק משתמשים בשמרי בירה ולחם. "תאי שמרים דומים ביותר לתאי אדם במנגנונים הבסיסיים שלהם, אבל קל בהרבה לגדל אותם בתרבית ולהשתמש בהם כדי לענות על שאלות בסיסיות ואוניברסליות בביולוגיה".

ההחלטה איזה מנגנון לבחור תלויה בריקוד מורכב בין מגוון חלבונים ומולקולות המעורבים בתהליך שכפול ה-DNA. מחקרים קודמים במעבדתו ומעבדות אחרות הצליחו לזהות מנגנוני מעקף-באגים בשכפול ולהתמקד בחלבון בשם PCNA כמי שממלא תפקיד משמעותי בקביעה איזה מהמנגנונים נכנס לשימוש כל פעם שתהליך השכפול נתקע.

לפרק את הטבעת

התפקיד הבסיסי של הPCNA הוא להקיף את גדיל ה-DNA ולשמור את המנגנון שעושה את תהליך השכפול מחובר אליו. חלבון זה מורכב משלושה חלקים זהים המחוברים זה לזה ויוצרים את הטבעת שמקיפה את גדיל ה-DNA. כדי להבין טוב יותר את תפקידו בשכפול ה-DNA, פרופ' קופייק ושני חוקרים ממעבדתו, מתן ארבל-גרויסמן ובתיה ליפשיץ, נעזרו במוטציות שמחלישות את הקשרים בין שלושת חלקי החלבון - בכך גורמים להם להתפרק בקלות ולהתנתק מה-DNA.

השוואת התאים עם ה-PCNA המתפרק בקלות עם תאי שמרים ללא המוטציה חשפה כי נוכחות החלבון הטבעתי מונעת את הפעלת מנגנון מעקף-הבאגים המוסיף מוטציות (ה"ג'יפ"). ניסויים נוספים, שבחנו מה קורה אם מבטלים את הפעילות של חלבונים אחרים שמשפיעים על ה-PCNA, הראו כי גם הם חשובים בשמירה על החלבון הטבעתי מחובר ל-DNA בעת תהליך השכפול - ובכך חוסמים את הפעלת המנגנון מוסיף המוטציות.

"הממצאים שלנו מטילים אור חדש על מנגנוני קבלת ההחלטות בתוך התא, שיכולים להביא להיווצרות של מוטציות, חלקן מסכנות חיים, או להעתקה מדויקת של הגנום. זכינו להצצה למנגנונים הבסיסיים שמעצבים את האבולוציה, וגם משפיעים על הזדקנות האדם והתפתחות סרטן", מסכם פרופ' קופייק.