מחקרים COVID-19

פוענח מנגנון הפעולה והמבנה של כמה מחלבוני נגיף הקורונה

חוקרי האוניברסיטה העברית הצליחו לפענח את אחד החלבונים הגדולים של נגיף הקורונה - הבנת המבנה האטומי תתרום לפיתוח תרופות ואסטרטגיות למלחמה בנגיף

חלבון ה-Nsp2. התגלה כ"סרבן" לפיענוח מבני. צילום באדיבות ד"ר דינה שניידמן

צוות רב תחומי שכלל 12 חוקרות ושני חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים פענח את המבנה והפעילות של שלושה מחלבוני נגיף הקורונה SARS-COV-2. דיווח על הממצאים פורסם באתר biorxiv שבו מתפרסמים מחקרים שטרם עברו ביקורת עמיתים.

בצוות היו, בין השאר, חוקרת נגיפי קורונה מהמכון למדעי החיים, פרופ' מיכל ליניאל, ד"ר דינה שניידמן מהמחלקה לכימיה ביולוגית ומדעי המחשב וד"ר ניר קליסמן מהמכון למדעי החיים.

ד"ר שניידמן מסרה: "אחד החלבונים הגדולים ביותר של הנגיף, אותו פענחנו בשיטה חדשה וייחודית, הוא ה-Nsp2, שנודע כ'סרבן' לפיענוח מבני. יש לנו טכנולוגיה ופרוטוקול ניסויי כדי לחקור לא רק את חלבוני הנגיף עצמם, כי אם גם את השותפים שלהם מתוך התא האנושי". פרופ' ליניאל הוסיפה: "בהמשך יהיה צורך לפצח את הנגיף השלם בהקשר התאי כדי לדמות את כל חלבוני הנגיף והאינטראקציות ביניהם".

עד לא מכבר לא היתה בידי רופאים ומדענים התמונה המלאה כיצד פועל המנגנון הפנימי של הנגיף, איך הוא משפיע על התאים הבריאים, מה תפקידו של כל חלבון בנגיף, איך מתארגנים מבני החלבונים הנוצרים וכיצד הם מתקשרים ביניהם, אילו חלבונים דואגים להתרבות המהירה של הנגיף בתאי גוף האדם ואיך מתפתחות המוטציות הרבות שלו בפרק זמן כל כך קצר.

עתה ידוע כי הנגיף מייצר בתא המותקף לפחות 29 חלבונים המשמשים אותו ל"חטיפת" המנגנונים התאיים לצורכי השכפול שלו. כמו בנגיפים אחרים, החלבונים מתחברים זה לזה לקומפלקסים מבניים מורכבים. יש חלבונים שהם בעלי מבנה שלם, אחרים עם מבנה חלקי ובודדים נטולי מבנה.

במעבדות רבות ניסו בשנה האחרונה להבין את המבנה האטומי של כל אחד מהחלבונים הללו כדי להבין את פעילותו השלמה של הנגיף. הבנת המבנה האטומי הכרחית ברוב המקרים כדי לתכנן תרופות ואסטרטגיות אחרות למלחמה בנגיף.

אחד החלבונים הגדולים ביותר, ה-Nsp2, התגלה כ"סרבן" לפיענוח מבני. זה הפתיע כיוון שעל פניו לחלבון זה מאפיינים רגילים: הוא מסיס, לא ממברנלי ובעל מבנה רציף, בדומה לאלפי חלבונים אחרים המפוענחים בקביעות קריסטלוגרפיה או מיקרוסקופיה אלקטרונית בהקפאה. אולם, כמעט שלא היה ידוע דבר על תפקידו בהתרבות הנגיף.

במהלך עבודת המחקר גידל הצוות תאים המייצרים את החלבונים וכן  ביצע ספקרוסקופיית מסות וחישוב המודלים המבניים של חלבוני הקורונה. המחקר החדש הקיף את החלבונים המסומנים Nsp2, Nsp1 ו- Nucleocapsid protein (בקיצור N).

השערת המחקר היתה ש-Nsp2 איננו יציב מחוץ לתא שבו הוא מתבטא. במקרה כזה, השיטות הרגילות לקביעת המבנה שלו ייכשלו, כיוון שכולן מתבססות על הוצאת החלבון מתוך התא וניקויו באמצעים ביוכימיים.

מגבלה זו נעקפה על ידי שימוש בשיטה תוך תאית לחקר המבנה: לתוך התא החי הוכנסה תרכובת כימית הקושרת בצורה בלתי הפיכה שני אתרים בחלבון – מה שמכונה צילוב כימי, cross-linking, מאחר שהם קרובים פיזית במבנה התלת מימדי. בהמשך בודדו חלבון ה-Nsp2. בעזרת ספקטרומטר מסות, זוהו אזורים בחלבון הקרובים זה לזה ועברו את שלב הצילוב הכימי. בחלבון הנחקר זוהו יותר מ-40 נקודות קרבה כאלו, מה שהעיד כי לשרשרת החלבונית הארוכה של ה-Nsp2 יש מבנה מפותל ומורכב במיוחד.

בגלל הרצף הארוך והמבנה המורכב של Nsp2, ארבעים ה"רמזים" על המבנה שלו לא הספיקו כדי לפענח ולהבין עד תום את המבנה האטומי. נדרשה לשם כך תוכנה של חברת הבת של גוגל DeepMind לחיזוי מבנה חלבונים בשם AlphaFold2 שהצליחה לחזות את המבנה המלא שלו רק במספר תתי-מבנים באזורים מצומצמים מתוך הרצף של Nsp2. אבל זה הספיק לחוקרות כדי להשלים את המידע החסר. שילוב של תתי-המבנים מ-AlphaFold2 עם רמזי הקרבה מהצילוב הכימי, אפשרו לייצר את המבנה האטומי השלם.

בחקירת המבנה החדש עלה כי הוא החלבון מכיל שלושה אתרים לקישור של אבץ – יון חיוני לפעולת השכפול של הקוד הגנטי של הנגיף. בתוך התא המותקף, הנגיף יוצר "מתחמים מבודדים" שבהם פועלים מנגנוני השיכפול בנפרד משאר חלקי התא. עבודות קודמות הראו כי Nsp2 מועבר לאזורי שכפול מבודדים אלה. לכן שיער צוות המחקר כי אחד התפקידים של ה-Nsp2 הוא לדאוג לאספקת אבץ באזורי השכפול המבודדים. כנראה – לאברון ייחודי בציטופלסמה של התא, שבה משתכפל הנגיף בתוך התא.

הבנת מבנה החלבון מעניקה נקודת מבט נוספת על ההתפתחות האבולוציונית המואצת של הנגיף הנוכחי. בנגיפי הקורונה המוכרים עוד קודם – כמו גורמי ההצטננות השכיחה בחורף – יש רק אתר אחד לקישור אבץ. בעוד שבתת-משפחת הנגיפים הנוכחית מחוללי מגיפת ה-SARS ב-2002 באסיה, וזה שאחראי למגיפה העולמית הנוכחית, התגלו עתה במחקר החדש שלושה אתרי קישור ויש רמזים מבניים שקיים קישור רביעי המתפתח ומתעצב בנגיף ה-SARS-COV-2.

באותה שיטה נחקרו  שני חלבונים נוספים בנגיף הקורונה: חלבון המשמש לאריזת החומר הגנטי (Nucleocapsid protein - N), וה-Nsp1 שהוא אחד המרכזיים של הנגיף לשם התחמקות מהמערכת החיסונית של נדבק.

ד"ר קליסמן: "גם בשני המקרים האלה גילינו שבתוך התא נוצרים סוגי מבנים שעד היום לא הצליחו לחקור אותם היטב בשיטות חוץ תאיות. התא יוצר סביבה מורכבת מאוד שקשה מאוד לשחזר במבחנה".

ד"ר שניידמן: "השיטה בה השתמשנו נראית מבטיחה ביותר וכדאית לבחינת חלבונים רבים. בעוד שהנגיף יכול להסתדר בלי Nsp1 אבל ה-Nsp2 הוא חלבון חיוני בנגיף הקורונה שבעזרתו הוא מצליח להערים על המערכת החיסונית".

בהמשך יחקור הצוות את שותפי החלבונים הללו בתא האנושי ואת הנגיף השלם בהקשר התאי כדי לדמות את כל חלבוני הנגיף והאינטראקציות ביניהם.

נושאים קשורים:  מחקר ישראלי,  19-COVID,  קורונה,  האוניברסיטה העברית,  חדשות
תגובות