פרופ' ירון שב-טל מציץ אל עלילת חייו של התא החי

פרופ' ירון שב-טל, העומד בראש מרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית באוניברסיטת בר-אילן, מתבונן מקרוב בפעילות התא ובמחזור החיים של הרנ"א המשוטט בתוכו. יש לזה השלכות גם על חקר סרטן.

מה מגלים כשמסתכלים על התא מקרוב בעודו חי? תחום המחקר של פרופ' ירון שב-טל, מנהל מרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית וסגן הנשיא למחקר באוניברסיטת בר-אילן, נקרא ביטוי גנים. קבוצת המחקר שלו עוקבת אחרי פעילות הרנ"א ומולקולות נוספות בתוך התא החי בזמן אמת, באמצעות טכנולוגיות מיקרוסקופיות רגישות וסימון פלואורסצנטי של מולקולות.

פרופ' שב-טל, למה צריך לסמן מולקולות? מה רואים כשמסתכלים על התא במיקרוסקופ בלי הצביעה?

"התאים עצמם שקופים. חוץ מתאי דם אדומים, שהם באמת אדומים, כל היתר חסרי צבע, אז אם נניח תא תחת מיקרוסקופ לא נראה יותר מדי. נראה איך חלקי התא זזים, אבל לא נקבל הרבה מידע על ההתרחשויות בתוכו – ויש בו הרבה מאוד התרחשויות: בנייה, פירוק, תנועה. כשרוצים לראות תאים מתים אפשר לשפוך עליהם חומר שהורג אותם ומקבע אותם, ואז צובעים את המולקולות, אבל בשיטה הזאת מאבדים את כל הממד של התנועה בזמן אמת".

ואתם רוצים לראות את התאים החיים, בתנועה.

"כן. כי כשאני מסתכל על תא מת אני רואה את החלקים השונים שלו אבל אני לא יכול לדעת שום דבר על הדינמיקה והקינטיקה שלו. לכן, חוקרים עסוקים בשיטות שונות לסימון מולקולות בתא, והשיטות האלה שינו את פני המדע. יש שלושה שלבים מרכזיים בהתפתחות של תחום סימון החלבונים בתא, ועל כל אחד מהם קיבלו פרסי נובל".

מדוזות בשירות הרפואה המותאמת אישית

איך גילו את השיטות לסימון רכיבי התא?

"התגלית הראשונית, ששינתה את כל פני הביולוגיה, הייתה זיהוי של מולקולה שפולטת צבע ירוק זרחני שנקראת GFP, Green fluorescent protein, שמקורה בחלבון המצוי במדוזות, ובגינה ניתן פרס נובל בשנת 2008. בשלב השני, הבינו שהגנום של המדוזה בנוי מאותן אותיות כמו אלה שנמצאות בגנים של כל יצור אחד, ולכן אפשר להצמיד את מולקולת הצבע לגנים של תולעים, עכברים ובני אדם וליצור גן היברידי שימשיך לבצע את פעולותיו כשעליו תוספת של צבע, וכך לעקוב אחרי התנועה שלו בתא".

"בעקבות ההמצאה הזאת, כל חוקר או חוקרת בעולם יכולים להצמיד את הגן הזה למולקולה שהם עובדים עליה ולראות אותה תחת המיקרוסקופ. אם אני רוצה לעקוב אחרי גידול סרטני בחיה כמו עכבר, אני יכולה לצבוע את התאים הסרטניים ולראות אם הגידולים גדלים או קטנים בעקבות טיפול כימותרפי. היו כאלה שהפכו חיות שלמות כמו חתולים או ארנבים לירוקות וזרחניות".

נשמע נורא. עשו את זה גם לבני אדם?

"תיאורטית אפשר לעשות את זה גם לבני אדם, אבל לא עושים את זה".

והשלב השלישי?

"בשלב השלישי עשו מוטציות בחלבון ויצרו ממנו צבעים שונים: מתוך ה-GFP הירוק פיתחו YFP צהוב ו-RFP אדום, ועכשיו אפשר לקחת את הצבעים השונים ולהצמיד אותם למולקולות שונות כך שכל מולקולה תהיה בצבע אחר ואפשר לעקוב אחריהן יחד".

אלה גם השיטות שבהן אתם משתמשים לראות רנ"א?

"לא בדיוק. למעשה, השיטות האלה כשלעצמן לא מאפשרות לראות רנ"א, כי כמו דנ"א, גם רנ"א מורכב מחומצות גרעין ולא מחומצות אמינו, ולכן אי אפשר לשתול עליהן את הצבענים שבנויים גם הם מחומצות אמינו. מהסיבה הזאת במשך הרבה שנים לא הייתה דרך לעקוב אחרי רנ"א ודנ"א, לא ידעו איך לצבוע אותם. השיטה שאנחנו משתמשים בה פותחה בבית הספר לרפואה על שם איינשטיין בניו יורק, שם עשיתי את מחקר הפוסט-דוקטורט שלי, והיא מנצלת את העובדה שכאשר הרנ"א מסתובב בגרעין, הוא אוסף עליו הרבה חלבונים, ואפשר לצבוע חלק מהם, כך שנוצר לו זנב של עשרות חלבונים פלואורסצנטיים. למעשה, תחת המיקרוסקופ אנחנו לא רואים את הרנ"א כולו, כחוט, אלא רק את הזנב שאותו צובעים".

איך נראה הרנ"א של התא במיקרוסקופ?

"במיקרוסקופ לא רואים את החלקים השקופים, הם מוחשכים, ורק החלקים המוארים נראים. למשל, אם מכוונים אם המיקרוסקופ לאור כחול, המיועד להאיר על הירוק הזרחני, נראה רק את אותן מולקולות שמסומנות בצבע הירוק, וסביבן יהיה שחור משחור. הרנ"א עצמו נראה כמו כדורים קטנים הנעים בתוך התא החי".

חייו הקשים והקצרים של הרנ"א-שליח

מה אתם מגלים כשאתם עוקבים אחרי תנועת הרנ"א בתא?

"מטרת הרנ"א-שליח היא להעביר את המידע הגנטי שנמצא בגרעין התא אל הציטופלזמה, שבה מתרחשות כל הפעולות החיוניות לחיי התא, על פי הוראות שמתקבלות מהחומר הגנטי. ההפרדה בין הגרעין לגוף התא ייחודית לאדם ולחיות נוספות – לחיידקים למשל אין גרעין, שם כל חלקי התא נמצאים יחד בלי מחיצות והחומר הגנטי שבדנ"א מייד עובר לפעולה. אבל אצל האדם הדנ"א כלוא בגרעין ולא יכול לנוע, ומי שמעביר את המידע לציטופלזמה הוא הרנ"א, שמעתיק את המידע שבדנ"א וחוצה את ה'גדר' אל הציטופלזמה, שם מתיישב עליו ריבוזום, קורא אותו ויוצר ממנו חלבון שאחר כך הולך ופועל בתא".

איך עושה הרנ"א את המסע הזה מחוץ לגרעין?

"לרנ"א יש מחזור חיים, קצת כמו לבני אדם, אלא שאורך החיים הטיפוסי של רנ"א הוא כמה דקות. עוד לפני שהוא יוצא, בזמן שהוא עוד 'צעיר', יש בגרעין מערכת שבודקת אותו כדי לוודא שהתעתיק שלו תקין. אם יש בו תקלה או מוטציה, לא יאפשרו לו לצאת".

מה יעשו לו?

"יחסמו אותו, והוא יבשיל בתוך הגרעין וימות שם. בתא מסתובבים אנזימים 'טורפים' שרואים רנ"א ומחסלים אותו: התאים לא מעוניינים שלרנ"א יהיו חיים ארוכים, כי הם צריכים להגיב בזמן אמת למה שקורה סביבם. מצד שני, התא לא רוצה שהרנ"א יחוסל מהר מדי, ולכן הרנ"א מתכסה במעטפת של מאות חלבונים שמגינים עליו מפני הטורפים. בשלב הזה, הרנ"א כבר לא נראה כמו חוט אלא כמו חלקיק, וככה הוא מסתובב בגרעין. זאת המעטפת שבזכותה אנחנו רואים אותו".

איך הרנ"א יוצא החוצה?

"הרנ"א צריך למצוא בעצמו את הדרך מהגרעין החוצה. במעטפת הגרעין יש הרבה פתחים שנקראים 'שוערי הגרעין' והם דלתות היציאה מהגרעין. אבל הגרעין מלא בדנ"א ובכרומוזומים שתופסים את רוב הנפח, וחלק ממנו דחוס ברמה שלא מאפשרת לרנ"א לעבור או שהוא צריך להשתחל בין החוטים הרבים. חקרנו את זה לפני שנים ומצאנו שהתנועה של הרנ"א בגרעין היא בלתי מכוונת. הוא אומנם צריך לנוע מהגרעין אל הציטופלזמה, אבל אין הכוונה, וההתקדמות שלו היא בדיפוזיה, כלומר אקראית לחלוטין, כך שלוקח לו זמן למצוא את הפתחים. הרנ"א הוא גם יחסית ארוך ודי כבד; הוא כמו פיל קטן שמסתובב בגרעין ולוקח לו יותר זמן למצוא את דרכו".

ראיתם אותו משתחל החוצה דרך השער?

"כן, זאת הייחודיות שלנו: אנחנו היינו הראשונים בעולם שראינו את הרנ"א יוצא החוצה דרך השער. אף אחד לא הצליח לראות את זה לפנינו. רק אחרינו באו אחרים ועשו עבודות דומות. וגילינו שאחרי שהוא משוטט באיטיות בתוך הגרעין, ברגע שבו הוא עובר דרך השער זה נראה כאילו מישהו בועט אותו החוצה במהירות אדירה. רגע אחרי שהוא מציג את 'כרטיס הכניסה' שלו לשוער, ומראה לו שהוא בשל ותקין, הוא עף החוצה בשברירי שנייה".

למה אחרים לא הצליחו לראות את זה?

"אי אפשר לראות את זה בלי להסתכל בתא בזמן אמת. בשיטות הרגילות חוקרים רנ"א בתאים שמתו מזמן, אבל הנקודה שבה התא מת מקפיאה את הדברים במצב דברים מסוים בלי שאני יודע מה היה לפני או אחרי. לכן, ניסויים על תאים מתים מראים רק נקודה בזמן ולא את התא לאורך זמן. בדרך כלל לוקחים מיליוני תאים, קוצצים אותם במבחנה ומקבלים תמונה ממוצעת של אוכלוסיית התאים. אנחנו מסתכלים על הדברים מזווית אחרת: אני רוצה לדעת מה קורה בתא מסוים אחד".

סרט האימה של התא

נמשיך עם הרנ"א – מה קורה לו בציטופלזמה?

"כפי שאמרנו, הוא פוגש שם את הריבוזום שקורא אותו ומייצר ממנו חלבונים. אבל זמנו של הרנ"א קצר: האנזימים הטורפים נמצאים גם בציטופלזמה, ואחרי שהוא מתורגם כמה פעמים, האנזימים יצליחו להיטפל אליו ולחסל אותו, כי עם התקדמות התהליך הרנ"א מאבד חלק מהחלבונים שמגינים עליו וההגנה שלו יורדת".

גם בציטופלזמה הוא משוטט באיטיות?

"לא. בחלק מהתאים אנחנו רואים שמוקדשת תשומת לב רבה לשינוע של הרנ"א ממקום למקום. לג'ירפה למשל יש תא ארוך מאוד שמתחיל מהמוח שלה ויורד כל הדרך עד לקצה הרגל שלה. אם היינו סומכים על דיפוזיה להעברת מולקולות בתוך הציטופלזמה של התא הזה, התהליך היה יכול לקחת חודשים, אז בציטופלזמה יש מערכת הסעה, מעין 'שאטלים' שמזיזים את החלקיקים ממקום למקום".

אילו השלכות יש למחקר שלכם מעבר להבנת התהליכים הבסיסיים של התא?

"לצד המחקר של התהליכים הרגילים בתא אנחנו מנסים לחקור גם תהליכים לא תקינים. למשל, הרנ"א שמגיע לציטופלזמה עובר תרגום ומת בתוך זמן קצר, אבל בתהליכי סטרס מסוימים, חלק מהרנ"א נכנסים ל'גרנולות' – מאגרים גדולים בתוך הציטופלזמה. הבנו שהתא מחביא שם את הרנ"א כדי להגן עליו משינויים שמתרחשים בתא במהלך הסטרס, משום שכאשר הסטרס עובר התא מייד רוצה לחזור לתרגם רנ"א והוא זקוק לרנ"א זמין".

למה הכוונה ב"מצבי סטרס"?

"למשל כימותרפיה היא מצב של סטרס עבור התא. לכן, הייתה מחשבה שאולי הסיבה שבגללה חלק מתאי הסרטן שורדים כימותרפיה היא שהם מחביאים חלק ממולוקולות הרנ"א שלהם בתוך הגרנולות. חוקרים מנסים להפריע לתא לייצר את הגרנולות עבור הרנ"א, למשל באמצעות מתן חומר שלא יאפשר לתא ליצור גרנולות או חומר שלא יאפשר לגרנולה להתפרק אחרי הסטרס וכך ייווצר בתוך תא הסרטן 'הר של זבל' והוא ימות

אתם ממש תסריטאים בסרט של התא.

"כן. אני אתן עוד דוגמה לתסריט כזה. יש לנו במעבדה סטודנטית שעובדת עם וירוסים של הרפס, ורואה מה קורה לתא כשהוא נדבק בווירוס. רואים שאחרי ההדבקה של התאים בווירוס, הגרעין מתחיל לייצר את הדנ"א של הווירוס וכל התוכן שלו משתנה, הצורה שלו משתנה. אנחנו חוקרים את מה שקורה בגרעין כמה שעות אחרי שהווירוס מדביק את התא, וזה ממש סדום ועמורה. הוא משנה את כל התא ובסוף גם הורג אותו. זה לוקח כמה שעות, וזה נראה ממש כמו סרט אימה".

כמה עולה מיקרוסקופ

פרופ' שב-טל סיים את הדוקטורט שלו במכון ויצמן ואת הפוסט-דוקטורט עשה בבית הספר לרפואה על שם איינשטיין בניו יורק, ומאז 2005 הוא בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר-אילן. הוא פרסם יותר מ-100 מאמרים וזכה בפרסים ובמענקי מחקר רבים, ביניהם מענקי מחקר יוקרתיים מטעם האיחוד האירופי (ERC) והמכון הלאומי לבריאות בארצות הברית (NIH). כעשור הוא שימש סגן הדיקן של הפקולטה למדעי החיים, לפני שנתיים מונה לדיקן ולאחרונה מונה לסגן נשיא האוניברסיטה למחקר ולראש מרכז דנגור לרפואה מותאמת אישית.

למה בחרת להקים את המעבדה שלך בבר-אילן?

"כנהוג, עשיתי סיבוב בין האוניברסיטאות והרגשתי שבר-אילן נמצאת בתנופה מאוד גדולה, גם בהקמה של תשתיות וגם בתוכנית לקלוט הרבה חוקרים צעירים בתוך תקופה של עשור. ידעתי שזה מקום שאפשר לצמוח בו, והאווירה טובה – ואני שמח בבחירה שעשיתי. היום צריך הרבה מאוד כסף למדע – עבור רכישת ציוד, חומרים ועוד. מיקרוסקופים כמו אלה שאנחנו משתמשים בהם יכולים לעלות לפחות 300 אלף דולר, ומדי כמה שנים חייבים להחליף אותם, והאוניברסיטה תמכה בי בתהליכי המחקר".

כמנהל החדש של מרכז דנגור – מהו החזון שלך?

"נוסף לקליטת חוקרות וחוקרים חדשים שיעסקו בחזית הרפואה המותאמת אישית, אנחנו מתכוונים להגדיל את שיתופי הפעולה עם המרכז הרפואי שיבא ולצאת בקולות קוראים לשיתופי פעולה בין חוקרים ורופאים משני המוסדות, שיביאו לשילוב בין המדע והקליניקה. אנחנו מעוניינים ששיתופי הפעולה יתרחבו לתחומי ידע נוספים, מעבר למדעי החיים, אשר יש להם השקה לתחומי הרפואה השונים".

לסיום, במבט קדימה לעוד עשר שנים – מה היית רוצה שיתחדש בתחום שלך?

"אני לא יכול להתנבא, אבל הייתי שמח אם בעתיד הייתי יכול להסתכל עם המיקרוסקופ על תאים בתוך האורגניזם – כלומר לעקוב על התא כשהוא בתוך הרקמה שלו ולא רק במעבדה".

 

בתמונה הראשית: תאי סרטן העצמות מאדם. בצהוב: רנ"א בגרעין התא. בסגול: ציטופלזמה. בכחול: תאים שבהם החוקרים גרמו לרנ"א להיתקע בגרעין. הנקודות הלבנות הן הגרנולות שנוצרות במצבי סטרס. קרדיט צילום: הדוקטורנט מוחמד אטרש