NEWS

מחקר בינלאומי ורב-תחומי בהובלת פרופ' אילון שני והדוקטורנט ג'ניה ביננבאום מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון באוניברסיטת תל אביב, חשף את מנגנון פעולתו ותנועתו בצמח של ההורמון ג'יברלין – חומר בעל חשיבות עצומה לגדילת יבולים חקלאיים. המחקר המורכב כלל עשרות ניסויים במגוון רחב של תחומים: פיזיולוגיה, ביולוגיה מולקולרית, ביוכימיה, מודלים מתמטיים, מיקרוסקופיה פלואורסנטית, גנטיקה ועוד. הניסויים בוצעו במהלך 7 שנים על ידי מספר קבוצות מחקר ברחבי העולם – באוניברסיטת תל אביב, במכון ויצמן למדע ובמכון וולקני בישראל, וכן בדנמרק, צרפת, אנגליה, גרמניה וספרד. המחקר פורץ-הדרך פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Plants.

הורמון קטן עם חשיבות עצומה

"מעטים מחוץ לקהילה המדעית שמעו על ההורמון ג'יברלין, אך למעשה זהו אחד החומרים בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על האנושות," אומר פרופ' שני. "מדובר בהורמון, מולקולת סיגנל קטנה, שמבקר את גדילתם של הצמחים, והוא קשור ישירות למהפכה הירוקה של שנות ה-60 וה-70, שייעלה את העבודה החקלאית והגדילה באופן משמעותי את יבולי הדגניים – חיטה, שעורה, תירס ואורז. למעשה, טכניקות של מניפולציה בג'יברלין בצמחים הן אחד הגורמים העיקריים לכך שיש לנו היום מספיק אוכל בעולם. אך על אף חשיבותו, מעט מאוד היה ידוע עד לאחרונה על מנגנון פעולתו ותנועתו של הג'יברלין במרחב הצמח. במחקר הנוכחי יצאנו למסע מקיף על מנת לתת מענה לכמה שאלות מהותיות: איך נע הג'יברלין בתוך הצמח? איפה הוא מצטבר? ואיך בדיוק הוא פועל בתאים ספציפיים בצמח?"

המחקר בוצע בצמח ארבידופסיס (תודרנית לבנה) המשמש כצמח מודל במחקרים רבים. בשלב הראשון ביקשו החוקרים לזהות את המנגנון שמוביל את הג'יברלין מהעלים שבהם הוא נוצר, דרך מערכת ההובלה המכונה שיפה, אל השורש. לצורך כך הם יצרו בצמחים מוטציות שונות וביצעו בהם סריקות גנטיות, וכך גילו שלושה חלבונים נשאים (טרנספורטרים) שבלעדיהם הג'יברלין אינו מגיע ליעדו. מדובר בחלבונים שנמצאים בתאי השיפה, ופועלים יחדיו כדי להעביר את מולקולת הג'יברלין מצד אחד של קרום התא לצד השני, ובכך מאפשרים את מהלך מסעה הארוך לאורך הצמח כולו. במילים אחרות: תפקידם של חלבונים אלה הוא להטעין את הג'יברלין מן העלה אל רקמות ההובלה, שם הוא זורם במורד הצמח אל השורש. 

בשלב הבא נעזרו החוקרים בשיטה מתקדמת של מיקרוסקופיה פלואורסנטית ברזולוציה של תא בודד כדי לבחון את השפעת הג'יברלין – או העדרו – על תאים בשורש. הם מצאו שהג'יברלין מצטבר בשכבת תאים בשורש שמכונה אנדודרמיס – שחוצצת בין רקמת ההובלה לשאר תאי השורש. ידוע שאחד מתפקידי האנדודרמיס הוא לבקר את מעבר החומרים שנקלטים על ידי השורש מן הקרקע (מים, מלחים, גזים וחומרי הזנה שונים) אל רקמות ההובלה המובילות חומרים אלה לשאר חלקי הצמח. בקרה זו נעשית על ידי ייצור שכבת בקרה - חומר איטום דמוי שעם שנקרא סוּבֶּרין. במחקר זה גילו החוקרים שבהיעדר ההורמון ג'יברלין נפגע ייצור הסוברין. בשורה התחתונה: הג'יברלין אחראי על בקרת ייצור הסוברין באנדודרמיס, ובכך הוא משפיע ישירות על הזנת הצמח ועל גדילתו.

הזנת האנושות בתנאי אקלים משתנים

״עד כה היה ידוע כי תנועת ההורמון ג׳יברלין בצמח הכרחית להתפתחות תקינה של הצמח, אך המנגנון שמאפשר תנועה זו לא היה ידוע," מסביר ד״ר ביננבאום. "במחקר שלנו פענחנו את המערכת שמאפשרת מעבר של ג׳יברלין בין חלקי הצמח השונים, וכן גילינו תפקיד חדש של הג'יברלין: בקרה על ייצור סוברין, חומר בעל חשיבות רבה להתפתחות הצמח. הבנת מנגנוני התנועה של ג׳יברלין בצמח עשויה להוות בסיס למחקר יישומי בעתיד, עם השפעה משמעותית על ביטחון תזונתי ועל התפתחות הצמח בסביבה משתנה.״

פרופ' שני מסכם: "במחקר רב-תחומי ממושך ומורכב הצלחנו לחשוף את מנגנוני תנועתו ופעולתו של אחד החומרים החשובים ביותר להזנת האנושות: ההורמון ג'יברלין. מצאנו כיצד הג'יברלין מגיע מהעלים לשורש, היכן הוא מצטבר בשורש, ואיך הוא משפיע משם על מנגנוני הזנת הצמח. אנו מקווים ומאמינים שהתובנות העולות מהמחקר יסייעו לפיתוחן של שיטות חדשניות להשבחת ולהגדלת יבולים, בעיקר דגניים, במטרה להתמודד עם אחד האתגרים הגדולים ביותר של העידן הנוכחי: הזנת מספרים הולכים וגדלים של בני אדם בתנאי אקלים משתנים."

המחקר נערך בהובלת ד"ר מורן רובינשטיין והסטודנטית סג׳א פדילה, מבית הספר לרפואה ומבית ספר סגול למדעי המוח, וד"ר אריק קרמר, מאוניברסיטת מונפלייה בצרפת. עוד השתתפו במחקר: ענת מבשוב, מרינה ברוזל וקרן אנדרסון מבית הספר לרפואה ומבית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, וחוקרים נוספים מצרפת, מארה"ב ומספרד. המאמר פורסם בכתב העת Journal of Clinical Investigation.

"תסמונת דרווה, ששכיחותה בערך אחת ל-16,000 לידות, נחשבת לנפוצה יחסית בין המחלות הגנטיות הנדירות. נכון להיום, חיים בישראל כ-75 ילדים הסובלים מדרווה. מדובר באפילפסיה התפתחותית קשה, שמתחילה בפרכוסי חום סביב גיל חצי שנה, ומתקדמת, לאחר גיל שנה, להתקפים אפילפטיים ספונטניים תכופים לצד עיכוב התפתחותי מוטורי וקוגניטיבי", מסבירה ד"ר רובינשטיין.

לדבריה, התרופות הקיימות לאפילפסיה אינן מסייעות במידה מספקת לילדים עם דרווה, והם מצויים בסיכון משמעותי למוות מוקדם. ידוע שהתסמונת הקשה נובעת ממוטציה גנטית שאינה עוברת בתורשה מההורים, אלא נוצרת באופן אקראי בעובר בגן שנקרא SCN1A. בנוסף, המחלה אינה מאפיינת מגזר מסוים באוכלוסייה, לא ניתן לצפות אותה מראש, וגם לא לגלותה במהלך ההיריון.

מה עושים כשקשה לבצע אבחון מוקדם?

לדברי החוקרים, כיום מקובל לבצע אנליזה גנטית לילדים שסובלים מפרכוסי חום מורכבים סביב גיל חצי שנה. "עם זאת, גם אם הבדיקה מזהה שהבעיה היא בגן SCN1A, האבחנה הסופית ניתנת לרוב לאחר החמרת האפילפסיה - הופעת פרכוסים ספונטניים קשים ועיכוב התפתחותי", הם אומרים.

בעיה נוספת שמעלים החוקרים היא כי "למרות שיש חשיבות רבה לאבחון המוקדם, לעיתים קרובות האבחנה מתעכבת, ולרוב הילדים מאובחנים רק בגיל שנה או שנתיים ולעיתים אף מאוחר יותר. טיפולים גנטיים שפותחו בעת האחרונה נמצאו יעילים בעכברים במודל לדרווה, וחלקם אף נמצאים כעת בשלב הניסויים הקליניים בבני אדם. אולם, טיפולים אלה הראו יעילות בעכברי מודל רק כאשר ניתנו בשלבים מוקדמים מאוד, עוד לפני הופעת התסמינים. מכיוון שטיפול גנטי הוא הליך מורכב ופולשני, הוא לא יינתן לילדים ללא אבחון ודאי. לכן במחקר זה, תוך התחשבות בגיל בזמן האבחנה הסופית, התרכזנו בפיתוח טיפול שיהיה יעיל לאחר הופעת הפרכוסים, ואף בגיל מאוחר יותר. בנוסף, מאחר שהתסמונת כוללת גם עיכוב התפתחותי, ביקשנו לפתח טיפול שיקל הן על האפילפסיה והן על התסמינים הקוגניטיביים".

"בטיפולים גנטיים נהוג להיעזר בנגיפים כנשאים המובילים חומר גנטי תקין לתוך גופו של החולה, על מנת שיתווסף ל-DNA הפגום ויאפשר פעילות תקינה. לצורך זה מהנדסים את הנגיף: מוציאים ממנו את החומר הגנטי המקורי שלו כדי שלא יוכל לגרום למחלה או לשכפל את עצמו, ובמקום זאת אורזים בתוכו את הגן התקין הרלוונטי. במקרה של תסמונת דרווה, מדובר בגן SCN1A שהוא גן גדול מאוד, ולכן ולא ניתן היה להשתמש בנגיפים נפוצים המשמשים בדרך כלל למטרה זו, והיה צורך בנגיף שמסוגל לשאת ולהעביר גנים גדולים. במחקר שלנו פתרנו את הבעיה על ידי שימוש בנגיף בשם Canine adeno virus type 2, כנשא של הגן התקין", מסבירה ד"ר רובינשטיין.

^{ד"ר מורן רובינשטיין}

תוצאות מבטיחות בניסוי המעבדה

במסגרת המחקר, טופלו עכברי מודל בנגיף הנושא גן SCN1A תקין, והטיפול נמצא יעיל במגוון היבטים קריטיים: שיפור באפילפסיה, הגנה ממוות מוקדם, ותיקון משמעותי של היכולות הקוגניטיביות.

בשלב הבא הזריקו החוקרים את הנגיף הנשא למספר אזורים במוחם של עכברי המודל על מנת שידביק את תאי העצב הפגועים. 31 עכברים טופלו בגיל 3 שבועות, לאחר הופעת הפרכוסים הספונטניים (מקביל לגיל שנה עד שנתיים אצל ילדים חולים), ו-13 עכברים טופלו בגיל 5 שבועות (מקביל בערך לגיל 6 עד 8 אצל ילדים). בנוסף, הוזרק נגיף ריק למוחם של 48 עכברים לצורך בקרה.

התוצאות היו מבטיחות. היעילות הגבוהה ביותר נצפתה בהזרקת הטיפול בגיל 3 שבועות. בעכברים אלה, הפרכוסים פסקו לחלוטין בתוך 60 שעות בלבד מההזרקה, תוחלת החיים עלתה משמעותית, והפגיעה הקוגניטיבית (שאובחנה באמצעות מבחני זיכרון מרחבי), תוקנה באופן מלא.

גם בעכברים שטופלו בגיל 5 שבועות נצפה שיפור משמעותי, שהתבטא בירידה בפעילות האפילפטית ובהגנה מפרכוסי חום. בעכברי קבוצת הביקורת שקיבלו נגיף ריק, לא נצפה כל שיפור והם סבלו מתסמיני המחלה ממש כמו עכברים שלא טופלו כלל, וכ-50% מהם מתו מוות מוקדם כתוצאה האפילפסיה הקשה. בנוסף הוזרק הטיפול לעכברים בריאים ולא גרם להם כל נזק – הוכחה לבטיחותו.

"הטיפול שלנו הוסיף לתאי העצב הפגועים במוח גן תקין, שהספיק בכדי להחזירם לתפקוד נורמלי. החזרת הגן התקין בשלמותו חשובה במיוחד בתסמונת דרווה, מכיוון שבילדים שונים המוטציה מתרחשת במקומות שונים בגן, והגן השלם מהווה טיפול יחיד המתאים לכל החולים. בנוסף, מצאנו שהנגיף שנבחר לצורך המחקר מדביק תאי עצב רבים במוח, ומתפזר באופן נרחב מעבר למקום ההזרקה״, מסבירים החוקרים.

"הטיפול שפיתחנו הוא הראשון שהוכח כיעיל עבור תסמונת דרווה כשהוא ניתן לאחר תחילת הפרכוסים הספונטניים, והראשון שהביא לשיפור בתפקוד הקוגניטיבי של עכברי המודל. רשמנו עליו פטנט, ואנחנו מקווים שבעתיד הוא יגיע לקליניקה ויסייע לילדים שסובלים מהמחלה הקשה. בנוסף, אנחנו בוחנים כעת אם הוא עשוי להתאים גם למחלות נוירו-התפתחותיות גנטיות אחרות. הפלטפורמה שפיתחנו היא פלטפורמת Plug & play לטיפולים גנטיים, ואולי בעתיד נוכל לארוז בנגיף הנשא גם חומר גנטי תקין מסוג אחר, לטיפול במחלות נוספות", מסכמת ד"ר רובינשטיין.