חוקרות מהאונ' העברית פענחו מבנה של 3 מחלבוני הקורונה

בחודש יוני האחרון אמר מנכ"ל משרד הבריאות לשעבר, משה בר סימן טוב, בטקס סיום התפקיד שלו כי "למדנו המון על הקורונה, אבל אנחנו עדיין לא יודעים כלום. הטבע האנושי מתקשה להשלים עם חוסר היכולת להבין את הנגיף". מאז ועד היום, כחצי שנה אחרי אותם דברים, למדענים, לחוקרים ולרופאים עדיין אין את התמונה המלאה כיצד פועל המנגנון הפנימי של נגיף הקורונה ואיך הוא משפיע על התאים הבריאים, מבפנים – כלומר, מה תפקידו של כל חלבון בנגיף, איך מתארגנים מבני החלבונים שנוצרים וכיצד הם מתקשרים אחד עם השני, איזה חלבונים דואגים להתרבות המהירה של הנגיף בתאי גוף האדם, וכמובן איך מתפתחות מוטציות רבות של הנגיף בזמן כל כך קצר.

לחוקרים ידוע כיום כי וירוס הקורונה COVID-19 מייצר בתא המותקף (לפחות) 29 חלבונים המשמשים אותו ל"חטיפת" המנגנונים התאיים לצורכי השכפול שלו. כמו בנגיפים אחרים, החלבונים מתחברים אחד לשני ויוצרים קומפלקסים מורכבים - מבנים. ישנם חלבונים בווירוס בעלי מבנה שלם, כאלה עם מבנה חלקי ובודדים נטולי מבנה. במעבדות רבות ניסו במהלך השנה האחרונה לפענח ולהבין את המבנה האטומי של כל אחד מהחלבונים הללו בנפרד, כדי להבין את הפעילות השלמה של הווירוס. הבנת המבנה האטומי הכרחית ברוב המקרים לתכנון של תרופות ואסטרטגיות אחרות למלחמה בנגיף.

אחד החלבונים הגדולים ביותר של הנגיף, חלבון בשם Nsp2, התגלה כ"סרבן" לפיענוח מבני. הדבר היה מפתיע במיוחד מכיוון שמדובר בחלבון שעל פניו הוא בעל מאפיינים "רגילים" (חלבון מסיס, לא ממברנלי, בעל מבנה רציף), הדומים לאלפי חלבונים אחרים המפוענחים בקביעות על ידי קריסטלוגרפיה או מיקרוסקופיה אלקטרונית בהקפאה. בנוסף, כמעט שלא ידוע דבר על תפקידו בהתרבות הנגיף. החלבון עורר את סקרנותם של מספר חוקרים באוניברסיטה העברית, ביניהם חוקרת נגיפי קורונה מהמכון למדעי החיים פרופ' מיכל ליניאל, דר' דינה שניידמן מהמחלקה לכימיה ביולוגית וביה"ס למדעי המחשב, ודר' ניר קליסמן מהמכון למדעי החיים.

בעקבות כך החליטו החוקרים להקים צוות נרחב (14 חוקרים וחוקרות) מהאוניברסיטה העברית בירושלים ומכללת הדסה, שינסה להוביל לפתרון התעלומה סביב החלבון Nsp2, וחלבונים נוספים בווירוס. הצוות חולק לתתי-קבוצות-מחקר שביצעו פעולות שונות – מגידול תאים המייצרים את החלבונים, ביצוע ספקרוסקופיית מסות ועד לחישוב מודלים מבניים לחלבוני הקורונה. המחקר החדש שביצעו החוקרים פורסם בשלב זה באתר bioRxiv.org, המשמש לפרסום מאמרים מדעיים לפני שעברו ביקורת עמיתים. הוא נועד בראש ובראשונה להבין מה הווירוס עושה בתוך התא המודבק דרך חקירת המבנה של מספר חלבוני נגיף בתאים אנושיים, בהם Nsp2, Nsp1 ו- Nucleocapsid protein (המכונה בקצרה N).

החוקרים שיערו כי Nsp2 אינו יציב מחוץ לתא בו הוא מתבטא ובמקרה כזה, השיטות הרגילות לקביעת המבנה שלו יכשלו, מכיוון שכולן מתבססות על הוצאה של החלבון מתוך התא וניקויו באמצעים ביוכימיים. החוקרים עקפו מגבלה זו על ידי שימוש בשיטה תוך תאית לחקר המבנה. לתוך התא החי הוכנסה תרכובת כימית אשר קושרת בצורה בלתי הפיכה שני אתרים בחלבון זה לזה (צילוב כימי או cross-linking), אך ורק אם הם קרובים פיסית במבנה התלת מימדי. רק לאחר שהפעולה הכימית הסתיימה, שברו החוקרים את התא ובודדו ממנו את חלבון ה-Nsp2. בעזרת מכשיר המכונה ספקטרומטר מסות, ניתן היה לזהות אלו אזורים בחלבון היו קרובים זה לזה ועברו את שלב הצילוב הכימי. בחלבון הנחקר זוהו יותר מ-40 נקודות קרבה כאלה, דבר שהעיד כי לשרשרת החלבונית הארוכה של ה- Nsp2יש מבנה מפותל ומורכב במיוחד.

בגלל הרצף הארוך והמבנה המורכב של Nsp2, ארבעים ה"רמזים" על המבנה שלו לא הספיקו על מנת לפענח ולהבין עד תום את המבנה האטומי, ולכן נאלצו החוקרים להשתמש במקורות נוספים. בתזמון מושלם, פיתחה השנה חברת בת של גוגל DeepMind תוכנה מהפכנית ומוצלחת לחיזוי מבנה חלבונים, בשם AlphaFold2. אחד החלבונים המאתגרים, שאת המבנה שלהם ניסתה לאחרונה התוכנה למצוא, היה למרבה המזל Nsp2. התוכנה לא הצליחה לחזות את המבנה המלא, אבל העלתה למרשתת מספר תתי-מבנים לאזורים מצומצמים יותר מתוך הרצף של Nsp2. זה היה מספיק בשביל להשלים את המידע החסר לחוקרים. שילוב של תתי-המבנים מ-AlphaFold2 עם רמזי הקרבה משיטת הצילוב הכימי אפשרו לייצר את המבנה האטומי השלם.

חקירה של המבנה החדש הראתה כי הוא מכיל שלושה אתרים לקישור של אבץ. אבץ הוא יון חיוני לפעולת מכונת השיכפול של הקוד הגנטי של הנגיף. היה ידוע כי בתוך התא המותקף הנגיף יוצר מעין מתחמים מבודדים בהם פועלות מכונות השיכפול בנפרד משאר חלקי התא. כמו כן, עבודות קודמות הראו כי Nsp2 מועבר לאזורי שיכפול מבודדים אלה. לכן משערים החוקרים כי אחד התפקידים של ה-Nsp2 הוא לדאוג לאספקת אבץ באזורי השיכפול המבודדים. "כנראה שהחלבון מספק אבץ לאברון הייחודי בציטופלסמת התא, שבה משתכפל הווירוס בתוך התא", מבהירים החוקרים.

המבנה של החלבון הנחקר מעניק נקודת מבט נוספת ומעניינת על ההתפתחות האבולוציונית המואצת של הנגיף הנוכחי. בנגיפי הקורונה המוכרים לאדם, כדוגמת אלו הגורמים להצטננות פשוטה מדי חורף, יש רק אתר אחד לקישור אבץ. לעומתם, בתת-משפחת הנגיפים הנוכחית (אשר גרמו את מגפת ה-SARS ב-2002 באסיה, ואחראיים למגיפה הנוכחית), התגלו במחקר שלושה אתרי קישור, ויש רמזים מבניים שאתר קישור רביעי מתפתח ומתעצב בנגיף ה-SARS-COV-2.

החוקרים השתמשו באותה הדרך כדי לחקור שני חלבונים נוספים בנגיף הקורונה - חלבון אריזת החומר הגנטי (Nucleocapsid protein או פשוט N), וחלבון בשם Nsp1 שהוא אחד החלבונים המרכזיים של הנגיף בהתחמקות מהמערכת החיסונית בעקבות ההדבקה. דר' קליסמן מסביר כי "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 לנו מאוד לשחזר במבחנה"; ד"ר שניידמן מסכמת: "השיטה שבה השתמשנו נראית מבטיחה ביותר וכדאית לבחינת חלבונים רבים. בעוד שהנגיף יכול להסתדר בלי Nsp2 , Nsp1 הוא חלבון חיוני בנגיף הקורונה ובעזרתו הוא מצליח להערים על המערכת החיסונית. עכשיו יש לנו טכנולוגיה ופרוטוקול ניסויי להמשיך ולחקור לא רק חלבוני הנגיף עצמם, כי אם בעיקר את השותפים שלהם מתוך התא האנושי. הדרך עוד ארוכה ומפותלת מאוד, אבל התחילה עם בשורות טובות"; ופרופ' ליניאל מבהירה כי "זאת רק ההתחלה. בהמשך יהיה צורך לחקור את הנגיף השלם בהקשר התאי כדי לדמות את כל חלבוני הנגיף והאינטאקציות ביניהם".