קוד זיהוי לנוירונים: המנגנון שמשפיע על יצירת קשרים בין תאי עצב

המוח האנושי הוא מבנה מורכב ובמהלך התפתחותו מתרחשים תהליכים מדהימים של יצירת קשרים בין תאי עצב. כשאנחנו אוחזים ידיים, מובן מאליו שאנחנו יודעים אם היד שאוחזת בידינו היא שלנו או של אדם אחר. מסתבר שגם תאי עצב (הנוירונים), התאים האחראים לתקשורת במוח שלנו, יודעים לזהות מגע עצמי ולהימנע ממנו לעומת מגע עם תאים אחרים בתהליך שנקרא "הימנעות עצמית". תהליך זה הוא חלק אינטגרלי בתהליכי התפתחות המוח שלנו, המורכב מכ-80 מיליארד תאי עצב.

כל אחד מתאי העצב כולל שלוחות המעבירות אותות לתאי עצב שכנים דרך טריליוני קשרים מדויקים שכמעט ואינם כוללים קשרים עצמיים בין שלוחות של אותו תא עצב. רשת תאי העצב שנוצרת מאפשרת לנו לחשוב, לחוש ולהרגיש, וטעויות בקשרים בין תאי העצב עלולות להוביל להתפתחות מחלות קשות, מאוטיזם ועד סכיזופרניה. אחד האתגרים המרכזיים בתהליך זה הוא היכולת של נוירונים ליצור קשרים עם נוירונים אחרים, תוך הימנעות מיצירת קשרים עצמיים מיותרים.

מחקר חדש מאוניברסיטת תל אביב חקר את המנגנון המאפשר לנוירונים לבצע את המשימה המורכבת הזו. החוקרים התמקדו בחלבונים הקרויים פרוטוקדהרינים, שהם קבוצה של 53 חלבונים בלבד המצויים על דופן התא ויוצרים זהות ייחודית עבור תאי העצב המרכיבים את המוח. התהליכים שמאפשרים לקבוצת החלבונים הקטנה הזו לספק זהות ספציפית לכל תא עצב לא היו מובנים עד כה.

המחקר שהתבצע במעבדתו של ד"ר רותם רובינשטיין ופורסם לאחרונה בכתב העת PNAS מתמקד באינטראקציות בין חלבוני פרוטוקדהרין מקובצים (cPcdh) המאפשרים  את תהליך הזיהוי המורכב. כל נוירון מבטא באופן אקראי מספר סוגים של cPcdh, וזה יוצר מעין "קוד זיהוי" ייחודי לכל תא. צוות המחקר גילה כיצד אינטראקציות בין חלבוני הפרוטוקדהרין בנקודות המגע בין תאים יוצרות מבנים מורכבים המתאימים כמו ״מפתח למנעול״, המאפשרים קישור רק בין תאי עצב שונים. הקישורים המורכבים מספקים לתאי העצב "תעודות זהות" ייחודיות לכל תא, המסייעות לתאים להימנע מחיבורים שגויים עם עצמם.

החוקרים גילו שהזיהוי העצמי מתרחש רק כאשר יש התאמה מושלמת בין כל סוגי ה-cPcdh בין שני תאים. אפילו אי-התאמה של סוג אחד מונעת את הזיהוי. השאלה המרכזית שהמחקר ניסה לענות עליה היא כיצד אי-התאמה קטנה כזו יכולה למנוע קשר שגוי בין תאים. כדי לענות על שאלה זו, החוקרים ערכו ניסויים וסימולציות מחשב. הם גילו שהאינטראקציות בין חלבוני ה-cPcdh על אותה ממברנה (הנקראות אינטראקציות cis) הן קריטיות לתהליך. כאשר מנעו אינטראקציות אלו, התאים איבדו לחלוטין את היכולת ליצור קשרים ספציפיים.

הסימולציות הראו שה-cPcdh מתארגנים במבנים גדולים וליניאריים על פני הממברנה. כאשר שני תאים עם אותו "קוד זיהוי" נפגשים, המבנים האלה יוצרים קשרים חזקים ויציבים בין הממברנות. לעומת זאת, כאשר יש אפילו הבדל קטן בין הקודים, היציבות והריכוז של הקשרים האלה יורדים באופן דרמטי.

מנגנון זה מסביר כיצד מספר מוגבל יחסית של חלבוני cPcdh יכול ליצור מגוון עצום של זיהויים ספציפיים. ניתן לדמות את התהליך למערכת של מנעול ומפתח, אבל ברמה מולקולרית מתוחכמת הרבה יותר. רק כאשר כל ה"שיניים" של המפתח מתאימות בדיוק, הדלת נפתחת - או במקרה זה, נוצר קשר בין התאים.

תובנות אלו שופכות אור על האופן שבו המוח המתפתח מצליח ליצור רשתות עצביות מסובכות ומדויקות. הן מדגימות כיצד מנגנונים מולקולריים פשוטים יחסית יכולים להוביל להתנהגות מורכבת ברמת הרקמה והאיבר. ממצאי המחקר פותחים אפשרויות חדשות למחקר ואולי אף לטיפול בהפרעות התפתחותיות של מערכת העצבים.