פריונים - העברת מידע על-ידי חלבונים

בשני העשורים האחרונים תוארו ברחבי העולם מחלות ניווניות של מערכת העצבים המרכזית, שאופיינית להן ספוגיות של המוח האפור כתוצאה מהיעלמותם של תאי עצב. מקצת המחלות נגרמות מהדבקה וקצתן ספונטניות, לעתים בשל נטייה תורשתית. מהמחלות המוכרות נזכיר את המחלה הידועה בכינויה "מחלת הפרה המשוגעת" (mad cow disease) - או בשמה המדעי, BSE (bovine spongiform encephalopathy) - מחלת הגרדת (scrapie) בכבשים, ומחלת קרויצפלד-יעקב (Creutzfeldt-Jakob disease - CJD) בבני-אדם.

כשנבדק הגורם למחלות המידבקות ובודד, התברר כי שלא כמו בגורמי המחלות המוכרים (כחד-תאיים, חיידקים ונגיפים) הוא מכיל חלבון בלבד, ואין בו חומצות גרעין. הגורם המדביק כונה פריון (prion - proteinacious infectious particles).

גילוי הפריונים זיכה את החוקר סטנלי פרוזינר (S. Prusiner) בפרס נובל לרפואה בשנת 1997.

הרעיון שהגורם המדביק אינו מכיל חומצת גרעין, אלא חלבון בלבד, התקבל בקהילה המדעית בספקנות רבה, ואף בהתנגדות.

הרעיון עצמו אינו חדש: עוד במאה ה-19 ניסה הפתולוג הגרמני רודולף וירכוב (Rudolf Virchow) להסביר את תופעת המחלות הזיהומיות בשינויים המתרחשים בחלבונים.

פריצת הדרך באפיון מנגנון ההדבקה על-ידי פריונים היתה לאחר שנקבע הרצף של 15 חומצות האמינו בקצה האמיני של מולקולת הפריון, ועל-פיו נבנו מולקולות DNA, ששימשו גלאים מולקולריים שהגיבו בהכלאה גם עם כרומוזומים של חיות בריאות. כך נמצא שבכל היונקים שנבדקו יש גן המקודד פוליפפטיד הדומה לחלוטין לפריון במבנהו הראשוני.

השוואה בין פריון (שיכונה בהמשך גם Prp^sc) לבין חלבון תקין (שיכונה Prp^c) הראתה שהם שונים במבנה המרחבי שלהם: נמצא כי לפריון מבנה של משטח β (β-sheet), ואילו לחלבון התקין מבנה של סליל α (α-helix).

בעקבות פגישה מקרית בין פריון ל-Prp^c, משתנה Prp^c ל-Prp^sc. די אפוא במולקולת פריון אחת להתמיר אוכלוסייה שלמה של Prp^c ל-Prp^sc. מולקולה ראשונית זו יכול להיות נרכשת, כמו במחלות המידבקות, או תוצאה משינוי ספונטני של מולקולת Prp^c במחלות האחרות. מאחר שהפריונים אינם מסיסים ואינם מפורקים על-ידי פרוטאזות, הם שוקעים ומצטברים במשקעים עמילואידיים (amyloid plaques) חוץ-תאיים, הדומים למשקעים המצטברים במוחם של חולי אלצהיימר ומחלות מוח ניווניות אחרות. כדי לחדש את ה-Prp^c, החסר עתה, מוסיף התא, כל עוד הוא חי, לייצר Prp^c, המותמר ל-Prp^sc, וכך מגדיל את כמות ה-Prp^sc.

התפשטותו של הפריון בתאי המוח ב"אפקט דומינו":

(א) מולקולה אחת של פריון (אדום) מתקשרת לפריון תאי תקין (חום), וגורמת לו להתקפל למבנה ה"פריוני"  (ב). בהמשך, חפריונים מתקיפים מולקולות פריון תקינות נוספות (ג), ומולקולות אלה משתנות לפריונים (ד). 
המקור - חידת הפריונים

יש לציין שתפקידו המקורי של Prp^c בתא אינו ידוע. יתרה מזו, עכברים טרנסגניים שמתאיהם הוצא הגן Prp לא בטאו שום פנוטיפ מוגדר, חוץ מעמידותם המוחלטת בפני הדבקות ב-Prp^sc.

האם פרות טרנסגניות, שבתאיהן יחסר החלבון Prp^c יהיו הפתרון למחלת "הפרה המשוגעת"?

האם תופעה זו מתרחשת רק ביונקים, או שפריונים קיימים גם ביצורים ממחלקות אחרות? כבר שנים רבות ידוע שתכונות אחדות בשמרי האפייה (Saccharomyces cerevisiae) אינן מועברות מדור לדור בדרך הרגילה. למשל, בנוכחות אמוניה אין השמרים  משתמשים ב-UIS (ureidosuccinate) כמקור לחנקן, אך יש מוטנטים, URE3, המופיעים באופן ספונטני בתדירות של כ-10^-5, המנצלים ureidosuccinate גם בנוכחות אמוניה. הגן הקשור לתכונה זו הוא ure2. העדרו גורם לפנוטיפ הדומה ל-URE3, אך העברתו לצאצאים תקינה.

ברבייה מינית, כשאחד ההורים הוא זן בר והאחר הוא URE3, מועברת תכונה זו שלא כרגיל: ארבעת הצאצאים - שמחציתם אמורים להיות זן בר ומחציתם URE3 - הם כולם URE3.

תכונות כאלה, המופיעות מדי פעם בכל הצאצאים, מקושרות, בדרך-כלל, לנגיף ליזוגני או לפלסמיד הקיים בתא, המתרבה באופן עצמאי ומעביר את תכונותיו לכל ארבעת הצאצאים. אך ב-URE3 (וגם בתכונה אחרת, PSI, הגורמת לייצור חלבונים תאיים ארוכים מהרגיל), נמצא שהגן ממוקם בכרומוזום.

בעקבות פרוזינר, סבר החוקר ויקנר (R. Wickner) שבתיאוריה של הפריונים יש כדי להסביר את הורשת ה-URE3, וכי מוטנט של הגן ure2 פועל כמו הפריונים, ובעת הרבייה המינית, שבה חל בה איחוי תאי מלא של ההורים, מתמיר החלבון תוצר הגן המוטנטי את החלבונים התקינים לצורה המוטנטית (איור).

הורשה "רגילה" לעומת הורשה "פריונית" של היכולת לנצל UIS כמקור לחנקן בנוכחות אמוניה בשמרים

כדי לאשש את טענתו, פגע ויקנר בייצור החלבון Ure2 של שמרי URE3 על-ידי פגיעה בגן, ולאחר כמה דורות, כשלא נותר עוד חלבון Ure2 מוטנטי, הוא החזיר לתא גן תקין: הפנוטיפ נעלם.

במשך הזמן התברר שבשני החלבונים, Ure2 ו-Sup35 - החלבון האחראי לפנוטיפ PSI - קיימים אזורים מוגדרים, שכשהם חסרים לא נפגע כושרו התפקודי התקין של החלבון, אלא רק כושרו לפעול כפריון.

יש להניח שעוד נשמע רבות על התופעה ה"מוזרה" הזאת, המקעקעת לא רק את השקפתנו על התורשה, אלא גם את השקפתנו על המבנה ה"יציב" של החלבונים.

האם תוכלו לשער כיצד עשויים פריונים להשתתף בתהליכים אבולוציוניים?

לקריאה נוספת

חידת הפריונים - רות גביזון ואלברט טרבולוס

פורסם במקור בשנת 2000 באתר הקורס "התא - מבנה ופעילות" באוניברסיטה הפתוחה