פרופסור רנדי שֶקְמָן זכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 2013 יחד עם פרופ’ ג’יימס רוֹתְמָן ועם פרופ’ תוֹמָאס סוּדהוֹף, על גילוי מנגנונים המווסתים תנועת בוּעִיוֹת – מערכת שִינוּעַ חשובה הנמצאת בתאים שלנו.

פָּרָשֵׁי ההפרשה

הגוף של כל אחת ואחד מאיתנו הוא מערכת המבצעת הרבה תפקודים מורכבים, שרבים מהם מצריכים שִינוע חומרים ממקום אחד למשנהו. אחד התהליכים המרכזיים המסייע בשינוע חומרים בגוף נקרא הַפְרָשָׁה [1]. הַפְרָשָׁה היא שחרור מבוּקר של חומרים מתוך התא לדם או לתאים אחרים. לדוגמה, תאים במערכת העיכול מפרישים אנזימי עיכול המסייעים בפירוק המזון שאנו אוכלים, ותאים הנמצאים בבלוטות שלנו מפרישים הורמונים התומכים בגדילה ובהתפתחות שלנו. סוג נוסף של הַפְרָשָׁה מתרחש במוח, שם תאֵי עָצָב מפרישים שליחים הנקראים ”מוליכים עֲצַבִּיים” (neurotransmitters) כדי לתקשר עם תאֵי עָצָב אחרים).

לפני שתא מפריש חומר, תחילה עליו לייצר אותו. לאחר מכן, החומר צריך לצאת אל מחוץ לתא דרך קרום תאי. נשמע פשוט, נכון? ובכן, זהו, למעשה, תהליך מורכב למדי. אולי אתם כבר יודעים שהַתָאים של כל האֵיקַרְיוֹטִים, ובכללם של בני האדם, הם מבנֶה סגור המכיל ”איברים” שונים, הנקראים אֶבְרוֹנִים (איור 1A). כל אברון מבצע תפקודים מסוימים וזקוק לסביבה מיוחדת משלו כדי לתפקד בצורה מיטבית. סביבה זו יכולה להיות שונה מאוד, ולעיתים קרובות האברונים עשויים להתחרות בסביבות של אברונים או אזורים אחרים בתוך התא. זאת הסיבה שכל אברון מוקף בקרום המפריד בינו לבין שאר התא. קרום זה (הנקרא גם מֶמְבְּרָנָה) מתַפקד כמו מחסום המוֹנע תנועה חופשית של חומרים לתוך האברון וממנו, באותו האופן שבו קרום התא מוֹנע תנועה חופשית של חומרים לתוך התא וממנו. לכן נראה שיש לנו בעיה – אם תפקידה של המֶמְבְּרָנָה הוא למנוע מהחומרים לעבור, איך הם עושים זאת במסלול ההפרשה? (איור 1B).

המעֲבר של חומרים בין האברונים ומן התא אל החוץ מתאפשר בזכות מנגנון מיוחד שמכיל יחידות קטנות הנקראות בּוּעִיוֹת. הבעויות מתַפקדות כמו מכוניות קטנות ש”מסיעות” את החומר ליעדו [1, 2]. כעת אספר לכם על הייצור והתפקוד של הבועיות המשתתפות בהפרשת מולקולות הנקראות חלבונים – אלה ה”פועלים” המניעים תהליכים רבים בגוף.

מסלול הפרשת החלבונים

כ-30% מהחלבונים המיוצרים בגוף האדם הם חלבונים המשתתפים במסלול ההפרשה; אלו הם חלבונים המיועדים להפרשה מהתאים. כמו כל החלבונים, החלבונים המופרשים מיוצרים בחלקיקים שדומים למכונת-תפירה הנקראים רִיבּוֹזוֹמִים (פרס נובל בכימיה לשנת 2009 הוענק לשלושה מדענים שחקרו את המבנה והתפקוד של הריבוזומים). הריבוזומים המייצרים חלבונים מופרשים ממוקמים על תעלה מיוחדת בממברנה של אברון הנקרא הרִשְתִית התוך-פְּלָזְמית endoplasmic reticulum) באנגלית, או בקיצור ER). אחרי שהחלבונים מיוצרים, הם עוברים בתעלה המוטמעת בממברנת ה-ER לתוך רשת דמויַת-תעלה של צינוריות ER הפרוסה ברחבי התא. שם חלבונים אחרים בשם חלבוני מַעֲטֶה יוצרים מבנֶה מיוחד על חלק קטן מפני השטח של ממברנת ה- ER, כמו מעֵין כיפה. כיפה זו אוספת את החלבונים המופרשים ואז ”צובטת” כדורים קטנים של הממברנה – כך נוצרות הבועיות, המכילות את מטען החלבונים המופרשים המיוצרים בממברנת ה-ER. תהליך זה של היווצרות הבועיות, שבו חֶלֶק מממברנת ה-ER ”נצבט”, נקרא הֲנָצָה [1, 2]. לאחר ההנצה חלבוני המעטה ניתקים מהבועיות, והבועיות ה”ערומות” המכילות חלבונים מופרשים, משונעות לאברון בשם מערכת גוֹלְגִ’י. מערכת גוֹלְגִ’י ממיינת ומכַוונת את בועיות ההפרשה על מטענן ליעדן הסופי – קרום התא (הנקרא גם ממברנת הפלזמה). בעזרת חלבונים נוספים (כגון SNARE ו-RAB), הבועיות עוברות את שני השלבים האחרונים בקרום התא לפני הפרשת החלבונים – עגינה ומיזוג [3]. בשלבים אלו הבועיות מתקרבות מאוד לממברנה במנח מסוים, ואז מבנים הדומים לאצבע על הבועית ועל הקרום משתלבים זה בזה ומושכים את הבועית ואת קרום התא זה לעֵבר זה, כמו סְקוֹטְש. כאשר הבועית קרובה מספיק לקרום התא, הם מתמזגים באופן ספונטני, בדומה לשתי בועות סבון שמתמזגות. לאחר מכן, מִטען החלבון המופרש משתחרר מהצד השני של הממברנה אל מחוץ לתא. תהליך זה נקרא אֶקְסוֹצִיטוֹזָה, או פלִיטה תאית.

כפי שראינו, תהליך הייצור, השינוע והפרשת החלבונים מורכב למדי. אתם יכולים לדמיין מפעל הרכבה של מכוניות, שבו מייצרים מכוניות לאורך פס הייצור, חֶלֶק אחַר חֶלֶק, לפני שיש אישור לשלוח אותן אל מחוץ למפעל. ”פס הייצור” של החלבונים המופרשים נקרא מסלול ההפרשה [4], והתהליך שבו בועיות נושאות חומרים בין אזורים מופרדים בתוך התא ומחוצה לו נקרא שִינוּע בועיות (איור 2).

אולי תופתעו לגלות שרבים מהמנגנונים השולטים בשינוע הבועיות במסלול ההפרשה קיימים בתאים כבר יותר מ-2 מיליארד שנים! המשמעות של עובדה זו היא שלתאים בגופנו, כולל תאֵי העָצָב במוח שלנו, יש מנגנוני הַפְרָשָׁה בסיסיים המשותפים לאלו של אורגניזמים פשוטים יותר, כמו שְמָרִים [5, 6]. למעשה, התגליות הראשונות על אודות המנגנונים שמפעילים את מסלול ההפרשה נחקרו בשְמָרִים [7– 9]. בחלק הבא אספר לכם על התגליות המוקדמות שהתגלו בשְמָרִים במעבדה שלי, אשר זיכו אותי בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה.

מסלול ההפרשה בשְמָרִים

בתחילת הדרך בחֶקֶר של מסלול ההפרשה עם הסטודנטים שלי, היו כמה השערות מַהם המנגנונים השולטים בשינוע הבועיות, אבל לא זיהינו את הגֵנים המעורבים במנגנון זה. האמנו שנוכל ללמוד הרבה על שִינוע הבועיות אם נחקור את הגֵנים המעורבים במסלול ההפרשה. בחרנו לעבוד עם שמרֵי אפייה – מיקרואורגניזם פשוט שמְשַמֵּש להכנת לחם ובירה. העבודה עם שמרֵי האפייה קסמה לנו כיוון שאפשר לגדל אותם בקלות במעבדה ויכולנו לבצע ניתוח מדויק של הגֵנים שלהם בעזרת טכניקות פשוטות.

כדי לזהות גֵנים הקשורים למסלול ההפרשה בשמרים, חשפנו את תאֵי השמרים לכימיקלים הגורמים לשינויים אקראיים ב-DNA, הנקראים מוּטַצְיוֹת. מוטציות אקראיות משפיעות באקראי על גֵן אחד מתוך כ-5,000 גנים שקיימים בשמרים. כיצד, אם כן, הצלחנו לזהות גֵן אחד ששייך למסלול ההפרשה בערֵמת השחת הגנטית הזאת? קודם כול, ידענו שאנחנו מחפשים גֵנים חיוניים להישרדות של התאים. ידענו שאם נגרום למוטציה בגֵן חיוני כך שתשבית את הגֵן הזה לחלוטין, התא ימות ולא יהיו לנו תאים לחקור. לכן היינו צריכים למצוא דרך לגרום למוטציה שתאפשר לתא לחיות לפרק זמן שיספיק לנו כדי לחקור אותו. חֶלֶק מהמוטציות האקראיות הרבות שיצרנו שינו את החלבון המקוּדד על ידי גֵן מסוים, והפכו אותו לבלתי יציב בטמפרטורת גוף האדם. תאֵי שְמָרִים רגילים משגשגים בטמפרטורת גוף האדם, אך המוטציות המסוימות הללו, הנקראות מוטציות קטלניות רגישות לטמפרטורה [10], יכלו לתפקד רק בטמפרטורת החֶדֶר. אם כן, באמצעות מוטציות קטלניות הרגישוֹת לטמפרטורה, יכולנו לצמצם את החיפוש שלנו לכ-1,500 גֵנים חיוניים מתוך כלל 5,000 הגֵנים של השמרים. עדיין מדובר במספר גדול של גֵנים, ונדרשנו למצוא פרמטר נוסף שיעזור לנו למצוא את הגֵנים האחראיים לשינוע בועיות. לשם כך, ביססנו את החיפוש שלנו על השערה שהעלה ג’ורגֶ’ה פָּאלָאדֶה, חתן פרס נובל בחקר של מסלול ההפרשה. פָּאלָאדֶה שיעֵר שהפרשה קשורה לגדילת תאים באמצעות מיזוג בועיות. זוהי הנחה הגיונית כיוון שכאשר בועיות מתמזגות עם קרום התא, הקרום (ממברנה) אמור לִגדול. זה אִפשר לנו להשתמש בפרמטר חיפוש אחֵר במחקר שלנו, ולכן חיפשנו מוטציות שמנעו מתאֵי השמרים לגדול, ושגם גרמו להצטברות של חלבונים מופרשים בתוך הַתָאים.

בחיפושנו התמקדנו אַחַר הצטברות של חלבון בשם אִינְוֶורְטָאז (invertase), שהוא האנזים שמפרק סוּכְּרוֹזָה (סוכר לבן) לשני סוּכָּרים קטנים יותר – פְרוּקְטוֹז וגלוּקוֹז. בדרך כלל, אינוורטאז נמצא בדופן התא של תאֵי שְמָרִים, כך שכאשר תהליך ההפרשה פועל כראוי, אנו מצפים לראות כמות זֵהָה של תוצרי פרוקטוז וגלוקוז כאשר אנו מדְגִּירִים תאים שלמים בסוכרוזה, כפי שקורה כשאנו פותחים את התאים ומדגירים חלקים שלהם בסוכרוזה. עם זאת, כאשר תהליך ההפרשה אינו מתַפקד כראוי, והאינוורטאז נערם בתוך התאים, אנו אמורים לקבל כמות גדולה יותר של פרוקטוז וגלוקוז כאשר אנו מדגירים תאים ”מפורקים” בהשוואה לתאים שלמים. זו התוצאה המדויקת שקיבלנו בניסוי שפרסמנו ב-1979, בראשות תלמידִי המבריק פִּיטר נוֹבִיק [7]. קראנו לגֵן שהשתנה על ידי המוטציה הזו Sec1. כאשר בחנו תאים עם מוטציה של Sec1 באמצעות מיקרוסקופ רב עוצמה הנקרא מיקרוסקופ אלקטרונים, ראינו שבתוך התא הצטברו בועיות רבות המכילות אינוורטאז (איור 3A). זה היה מרגש מאוד – זו הייתה הפעם הראשונה שאֵי פעם נצפתה בתוך תא הצטברות של בועיות. ממצא זה סיפק גם ראיות חזקות התומכות בהשערתו של ג’ורגֶ’ה פָּאלָאדֶה, שתהליך ההפרשה קשור לגדילת תאים. משם היינו צריכים להמשיך לחקור כדי להבין את התפקיד הספציפי שחלבון Sec1 (המיוצר על פי ההוראות בגֵן Sec1) משחק בשינוע בועיות.

בסופו של דבר גילינו שחלבון Sec1 מעורב בשלב הסופי של תהליך ההפרשה, כלומר בעגינה ובאיחוי. זמן קצר לאחר שזיהינו את המוטציה ב-Sec1, זיהינו מוטציות נוספות בחלבונים המעורבים בתהליך הפרשת השמרים [8], והתחלנו להבין את סדר האירועים המתרחשים במסלול ההפרשה של השמרים [9]. גילוי הגֵנים המעורבים במסלול הפרשת השמרים עזר לנו להבין טוב יותר כיצד תהליך ההפרשה מתרחש אצל יונקים, ובכללם בני אדם [6]. ליתר דיוק, לרבים מהגֵנים והחלבונים שגילינו בשמרים נמצאו גֵנים וחלבונים מקבילים בתאי יונקים. אחד המדענים המובילים שמצאו כמה מהמקבילים לגנים שגילינו הוא פרופ’ ג’יימס רוֹתְמָן, שעימו חלקתי את פרס הנובל לפיזיולוגיה או לרפואה בשנת 2013. לאחר הזכייה בפרס נובל אפילו יצא לי לפגוש את אליל הכדורסל שלי כרים עבדול ג’באר! (איור 3B).

עבודתנו הייתה חלוצית משתי סיבות: ראשית, בשל הממצאים הממוקדים שלנו לגבי הגֵנים המעורבים במסלול ההפרשה; ושנית, בשל השימוש החדשני והמוצלח שלנו בגנטיקה מִיקְרוֹבּיָאלִית כדי לחקור את מסלול ההפרשה. הממצאים שלנו יצרו נתיב מחקר חדש, שרבים מתלמידיי ותלמידיהם של תלמידיי פסעו בו לאורך השנים. ברגע שהבנו היטב את מסלול ההפרשה בשמרים, מדענים התחילו ליישם ידע זה בתחומי הרפואה. אחת הדוגמאות החשובות שבה השתתפתי היא השימוש במסלול ההפרשה בשמרים כדי לייצר אינסולין אנושי לטיפול בסוכרת [10]. היות שההפרשה היא תהליך כה בסיסי בגוף האדם, ישנן עוד דוגמאות רבות למצבים רפואיים שבהם אפשר לטפל על בסיס ההבנה הגוברת שלנו לגבי מסלול ההפרשה, כגון מחלות לב ובעיות עיכול. על אף שמעולם לא התכוונתי להיות מעורב בפיתוח יישומים רפואיים, אני שמח שהעבודה שלנו תורמת לטיפולים שעוזרים לאנשים בכל רחבי העולם.

המלצות למוחות צעירים

אני חושב שאחד המאפיינים הבסיסיים ביותר של מדענים טובים הוא ההתרגשות שנובעת מגילוי. לדעתי, המדע הוא תהליך של גילוי; הוא אינו רק רשימה של עוּבדות הנוגעות לְמה שכבר ידוע ומבוסס. אם יש בכם תשוקה למדע, עליכם למצוא דרך עצמאית לחקור, אל תגבילו את עצמכם ליֶדע שאתם לומדים בכיתה. כדי להרחיב את הידע שלכם, אני מאמין שלמידה עצמאית, כמו זאת שמתרחש במעבדה, חשובה לא פחות מקריאה בספרֵי לימוד. כדי לבחון אם אתם יכולים להיות מדענים טובים, עליכם להתנסות במחקר בעצמכם. לעיתים קרובות המחקר עשוי לתסכל כי הרבה ניסויים נכשלים, ומדענים חייבים ללמוד להתמיד גם כאשר הם ניצבים מול כישלון חוזר ונשנה. אתם יכולים להתכונן לכך רק על ידי התנסות במחקר במעבדה בעצמכם. כך תוכלו גם לפתח אמונה בעצמכם ובכישורים שלכם, שתאפשר לכם להבין שדברים יכולים להסתדר ושתוכלו להגיע למטרה, גם כשהתהליך מאוד מסובך. מִסיבות אלו אני ממליץ לכל סטודנט צעיר להתחיל לעבוד במעבדה או לעסוק בלמידה עצמאית בתחום שמעניין אותו.

היבט נוסף של מדענים טובים הוא היכולת לזהות בעיה מרתקת, לחקור אותה ולהתחייב אליה באופן מלא. זה אומר שעליכם להתמקד לאורך זמן בבעיה מסוימת שמעניינת אתכם, ולחשוב באופן עצמאי על התכנון והביצוע של הניסויים, התצפית או התאוריה שיכולים לעזור לכם לפתור אותה. גם אם אתם נתקלים באתגרים בדרך, כדאי שתמשיכו לחשוב על הבעיה ולהרהר בה עד שתמצאו דרך חדשה לגשת אליה. אני יודע שלפעמים קשה מאוד להתמקד, במיוחד עבור אנשים יצירתיים שיש להם הרבה רעיונות חדשים כל הזמן. עם זאת, לכל אחד מאיתנו יש כמות מוגבלת של זמן ואנרגיה, ואם לא נתמקד, לא נוכל להתקדם בצורה טובה. לכן, עצתי היא להגדיר את המטרה ולהתמיד עד שתמצאו פתרון לבעיה חשובה אחת שאליה החלטתם להקדיש את עצמכם.

חומרים נוספים

1. .A pathway of a hundred genes starts with a single mutant: Isolation of sec1-1
2. .Publishing important work in the life sciences: Randy Schekman at TEDxBerkeley
3. .Rothman and Schekman: Uncovering the Secretory Pathway - Youtube

מילון מונחים

הפרשה (Secretion): ↑ תהליך חיוני שבאמצעותו הַתָאים משחררים חומרים, כגון הורמונים ואנזימים, בצורה מבוקרת.

אֵיקַרְיוֹטִים (Eukaryotes): ↑ אורגניזמים שתאיהם מכילים גרעין.

בועיות (Vesicles): ↑ ”שקיקים” העשויים קרום, הנושאים חומרים בתוך התא.

הרִשְתִית התוך-פְּלָזְמית (ER) (Endoplasmic Reticulum): ↑ האברון שבו מיוצרים חלבונים המיועדים להפרשה, ומוכנסים לתוך הבועיות.

הֲנָצָה (Budding): ↑ תהליך שבו חלק מממברנת ה-ER ”נצבט” ויוצר בועית.

אֶקְסוֹצִיטוֹזָה (Exocytosis): ↑ תהליך שבו חומר משתחרר מתוך התא לסביבה החיצונית על ידי איחוי של בועית עם קרום התא.

מסלול ההפרשה (Secretory Pathway): ↑ המסלול המְשַמֵּש להפרשת חלבונים מתוך התא אל הסביבה החיצונית. במסלול שותפים אברונים כגון ה-ER ומערכת גולג’י, כמו גם קרום התא והבועיות.

שינוע בועיות (Vesicle Trafficking): ↑ התהליך שבו בועית נושאת חומרים בין חלקים מופרדים של התא, ובין התא לבין סביבתו החיצונית.

מוטציות קטלניות רגישות לטמפרטורה (Temperature-Sensitive Lethal Mutations): ↑ תאים הפועלים כרגיל בטמפרטורות נמוכות, אך מתים בטמפרטורות גבוהות יותר.

דופן התא (Cell Wall): ↑ השכבה החיצונית ביותר של התא המכסה את קרום התא.

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה את הבסיס למאמר זה, ועל כתיבה משותפת של המאמר. תודה לנטע כשר עבור האיורים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.