מבנה אטומי ומנגנון פעולה של קולטן עצבי

במהלך התפתחות המוח, מיליארדי תאי עצב (נוירונים) חייבים למצוא את מקומם המדויק על מנת לקדם את יצירתם של טריליוני חיבורים נכונים בין-נוירונים, ובכך לאפשר לנו ליהנות מתפקודים מוטוריים, תפישתיים ורגשיים תקינים.

כדי להשיג רמה כה גבוהה של דיוק, נוירונים מבטאים קולטנים חלבוניים מיוחדים שחשים את הסביבה ומשמשים כ ׳נווטים׳ המכוונים את הנוירונים ואת השלוחות הארוכות שיוצאות מהם בנתיבים הנכונים תוך כדי הימנעות מכניסה לאזורים אסורים. פגמים גנטיים נדירים באותם קולטני ניווט עשויים לגרום לתסמונות נוירולוגיות חמורות כגון אפילפסיה ואטקסיה.

במחקר שערכנו באוניברסיטת בר-אילן שהתפרסם במגזין המדעי Cell גילינו מנגנון מולקולרי רגיש המקנה לקולטן העצבי ‘Robo’ את היכולת להגיב לאותות בסביבתו באופן ספציפי ומבלי להיות מופעל שלא לצורך באופן שיוביל לתוצאות לא רצויות.

אחת ממערכות האיתות החשובות ביותר בתהליכי ניווט נוירונים כוללת את הקולטן ‘Robo’ שמוצג על פני שטח התאים המנווטים ואת החלבון החוץ-תאי ‘Slit’ שנקשר אל ‘Robo’ ומפעיל אותו. חוסרים גנטיים באחד משני החלבונים האלו גורם לפגמים חמורים במבנה ותפקוד המוח. כך למשל, חסר ב ‘Robo’ או ב ‘Slit’ פוגע ביכולת של המוח ליצור קשרים מתאימים מעבר לאזור במוח שנקרא ‘corpus callosum’ . דרך אזור זה שלוחות של תאי עצב ממחצית אחת של המוח (המיספרה) חוצות את דרכן של השלוחות שיוצאות מן ההמיספרה השנייה בדרכן לעצבב את האברים בצד הנגדי של הגוף, תכונה חשובה ביותר בפיזיולוגיה של בעלי חיים.

ל Slit ו Robo רמת שימור אבולוציונית גבוהה מאוד, וניתן למצוא את צמד החלבונים האלו כמעט בכל היצורים החיים שכוללים מערכת עצבים, החל מתולעים נימיות (נמטודות) באורך מילימטר בודד ועד בני אדם, דבר המצביע על החשיבות הרבה שלהם לתפקוד מערכת העצבים. תוך שימוש בקריסטלוגרפיה של קרני X הדוקטורנטית רעות ברק הצליחה לפענח את המבנה המרחבי של הקולטן Robo ברמת הפרדה אטומית. העבודה הקריסטלוגרפית ופענוח המבנה ארכו כשש שנים, והיוו את השלב הראשון של עבודת המחקר. המבנים האטומיים הראו באופן די ברור איך שני קולטני Robo מתחברים יחדיו ליצירת דימר פעיל, ואיך נקודות המגע שמשתתפות בדימריזציה חסומות בקולטנים הלא פעילים. התגליות המבניות היוו את הבסיס לסדרה של ניסויי המשך ביוכימיים והתפתחותיים שבוצעו על ידי מנהלת המעבדה ד״ר ג׳וליה גז-חדד והדוקטורנטית גלית יום-טוב.

מודל למנגנון ההפעלה של הקולטן Robo

בשלב הבא, התמקדנו בבחינת המנגנון החדש במערכת של אורגניזם חי. נקטנו בגישה מחקרית מצמצמת ועקבנו אחרי התארכות של נוירון מסוג אחד. במהלך האבולוציה, הגנים המקודדים ל Slit ול Robo הוכפלו מספר פעמים, כך שבעכברים ובבני אדם יש ארבעה חלבוני Robo ושלושה Slit כשלכל אחד יש אספקטים ייחודיים אך גם חפיפה תפקודית מסוימת. היה לנו ברור שאם נבצע את הניסויים המתוכננים, שבהם אנו עורכים שינויים גנטיים ממוקדים, בחיית מודל בעלת מספר רב של קולטני Robo, יהיה קשה להבחין בהבדלים בפעילות ביולוגית בגלל אפקט פיצוי משאר הקולטנים. למזלנו, בתולעת הנימית הזעירה C. elegans נשמר רק גן בודד עבור Robo ואחד ל Slit מה שמפשט במידה מסוימת את הניסויים כמו גם את ניתוח התוצאות. כך, בעזרתה של פרופ׳ סיוון קורנבליט-הניס, גם היא מהפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר אילן, ומומחית לגנטיקה והתפתחות של C. elegans, ערכנו סדרה של ניסויי הכוונת אקסונים שאיששו את המודל המבני והתוצאות הביוכימיות.

Robo כאתר מטרה פוטנציאלי של תרופות

פעילות לא מבוקרת של Robo ו Slit תורמת להיווצרות ולהתפתחות של מספר מחלות כרוניות והתפתחותיות כדוגמת ניוון מקולרי (Macular degeneration), דלדול עצם, ומחלות כליות כרוניות. כמו כן, מדענים מוצאים עניין מיוחד במעורבות של Robo ו Slit בסרטן. באופן רגיל, התאים בגופינו קולטים איתותים מסביבתם שמכווינים אותם לגדילה, חלוקה, התמיינות, נדידה ובסופו של דבר למוות תאי מתוכנן. איתותים אלו נקלטים דרך קולטנים המוצגים על פני שטח התאים שמעבירים את המידע הרצוי לתוך התא. בסרטן, חלק מקולטנים אלו ״משועבדים״ כדי לאפשר הופעת ויצירת גידולים ושליחת והתבססות גרורות. רפואה מותאמת אישית, המבוססת על ניתוח הפרופיל הגנטי של הגידול הסרטני, עושה שימוש בתרופות החוסמות את פעילותם של אותם קולטנים סוררים ובכך נמנעים מהתאים הסרטניים איתותים החיוניים להמשך השגשוג שלהם. Robo ו Slit מופיעים באופן בלתי מבוקר בסרטן ומזה זמן מה שחוקרים מחשיבים חלבונים אלו כמטרות אטרקטיביות בטיפול במקרים חשוכי מרפא של סרטן לבלב עור ושד. הבעיה היא שכיום לא קימות תרופות שמכוונות לפגוע בפעילותם של Robo ו Slit, ואנחנו שיערנו שהסיבה לכך היא חוסר בהבנה מבנית לגבי מנגנון ההפעלה והאיתות של Robo.

התגליות שלנו מספקות, בפעם הראשונה, את הידע הדרוש לתכנון תרופות אפקטיביות שיהיו מכוונות לשליטה על פעילותו של Robo אצל חולים ובכך ירחיבו את מגוון הטיפולים האפשריים במסגרת המלחמה בסרטן.