מתילן כחול ופרוגריה: לקחים ממודל תאי של הזדקנות

שינוי של אות אחת בגן אחד גורם לילדים להזדקן במהירות מחרידה. נשירת שיער, מפרקים נוקשים, עורקים מוצרים ותוחלת חיים עד שנות העשרה. המחלה הזאת היא תסמונת הפרוגריה על שם האצ'ינסון־גילפורד, ובמשך שנים המחקר עליה התמקד בגרעין, שבו החלבון המוטנטי גורם לנזק. מחקר משנת 2016 מאוניברסיטת מרילנד שאל שאלה אחרת: כיצד נראות המיטוכונדריה בתאים האלה? התשובה קישרה בין שני מדורים בתא, וצבע כחול בן מאה שנה השפיע על שניהם.

זהו מחקרם של שיונג ועמיתיו, שפורסם בכתב העת Aging Cell בשנת 2016. המחקר נערך כולו בתאים בתרבית. העובדה הזאת היא המסגרת לכל מה שמופיע בהמשך. הממצאים ממשיים ומוגדרים היטב. גם המרחק בינם לבין טיפול כלשהו מוגדר היטב.

המודל: מוטציה אחת, חלבון אחד שנצמד

פרוגריה מתחילה בהחלפה של C ב־T בעמדה 1824 בגן LMNA. השינוי אינו משנה חומצת אמינו. הוא מפעיל אתר שחבור סמוי, וכתוצאה מכך נמחקות 50 חומצות אמינו מחלבון למין A. התוצר המקוצר, שנקרא פרוגרין, מאבד את אתר החיתוך שבדרך כלל מאפשר לתא להסיר את עוגן הפרנסיל שלו. לכן פרוגרין נשאר מחובר לקבוצת פרנסיל באופן קבוע וצמוד לממברנה הפנימית של הגרעין, בעוד שלמין A תקין היה נקשר אליה ומתנתק ממנה במחזוריות.

ההשלכות על הגרעין מתועדות היטב ונראות במיקרוסקופ. הגרעינים מפתחים בליטות וקמטים במקום לשמור על צורה אליפטית חלקה. ההטרוכרומטין, ה־DNA הדחוס שאינו פעיל ובדרך כלל מצפה את שולי הגרעין, נעשה דליל יותר. הביטוי של אלפי גנים משתנה. אפשר לחשוב על הלמינה הגרעינית כעל פיגום מאחורי טפט: כשחלק אחד של הפיגום מרותך במקום הלא נכון, הקיר בולט ודוגמת הטפט מתעוותת בכל החדר.

המחקר השתמש בפיברובלסטים מהעור של חולי פרוגריה לצד תאי ביקורת שהותאמו להם במספר ההעברות בתרבית, וכן בקו תאים נוסף שהונדס כך שפיברובלסטים תקינים ייצרו פרוגרין ישירות. התאים המהונדסים פיתחו את אותם פגמים, ממצא שמצביע על פרוגרין כגורם ולא על ההיסטוריה של החולים או על משך הזמן בתרבית. החומרה תאמה את הכמות: קו התאים שביטא יותר פרוגרין הראה פגמים חמורים יותר בכל המדדים.

כיצד נראו המיטוכונדריה

המיטוכונדריה בפיברובלסטים בריאים יוצרות רשת מסועפת סביב הגרעין, ובה צינוריות ארוכות שנעות לאורך מסלולים בשלד התא. בקווי תאי הפרוגריה הרשת הזאת נעלמה. שיעור גדול יותר של מיטוכונדריה היה מקוטע, רבות מהן היו נפוחות, ומיקרוסקופיית אלקטרונים הראתה עלייה של בערך פי שניים במספר האברונים שניזוקו קשות. צילום לאורך זמן הראה שהן נעות למרחקים קצרים יותר ובמהירויות נמוכות יותר בהשוואה לביקורת.

התפקוד השתנה בהתאם למבנה. רמות הסופראוקסיד במיטוכונדריה ורמות המחמצנים בתא כולו עלו. בתאים רבים יותר נצפה שיבוש בפוטנציאל הממברנה. ייצור ה־ATP ירד. אף אחד מהממצאים האלה אינו מפתיע כשלעצמו, שכן מיטוכונדריה פגומות משחררות צורוני חמצן תגובתיים ומייצרות פחות אנרגיה. החידוש היה בגורם שהוצע. PGC-1alpha, קו־אקטיבטור של שעתוק שמניע ביוגנזה של מיטוכונדריה באמצעות גורמים בהמשך המסלול, כגון NRF1, TFAM ומווסתי האיחוי והחלוקה MFN1, MFN2, OPA1, FIS1 ו־DRP1, דוכא בתאי פרוגריה בערך פי שמונה ברמת ה־mRNA, לצד ירידה תואמת בכמות החלבון. נראה שפרוגרין דיכא את מתג הבקרה המרכזי ליצירה ולתחזוקה של מיטוכונדריה. הקשר הזה בין נזק ללמינה הגרעינית לבין חילוף החומרים האנרגטי הוא חלק מהתמונה הרחבה של ייצור אנרגיה במיטוכונדריה, והצד המחמצן של אותו מאזן נידון בהקשר של עקה חמצונית ובקרת ROS.

מה שינה מתילן כחול

החוקרים טיפלו בתאים במתילן כחול בריכוז נמוך של 100 nanomolar, ברציפות במשך שבועות. במונחים של תרבית תאים, זו חשיפה ממושכת ומתונה, ולא חשיפה תרופתית קצרה. מתילן כחול עובר במחזוריות בין צורות מחומצנות ומחוזרות ויכול לשאת אלקטרונים בתוך המיטוכונדריה. משום כך הוא מתואר כתרכובת חמצון־חיזור הפועלת במיטוכונדריה, ולא כנוגד חמצון רגיל שנצרך כשהוא מנטרל מחמצן אחד.

המיטוכונדריה הגיבו הן בתאים תקינים והן בתאי פרוגריה. רמות ה־ATP עלו, רמות המחמצנים ירדו, ושיעור המיטוכונדריה עם פגמים חמורים הצטמצם. ביטוי PGC-1alpha התאושש חלקית, לצד כמה מגני המטרה שלו בהמשך המסלול. עד כאן מדובר בהשפעה כללית התומכת במיטוכונדריה, ולא בהשפעה ייחודית לפרוגריה.

התוצאות בגרעין היו ההפתעה, והן היו ייחודיות לתאים החולים. ניתוח כמותי של הצורה הראה ירידה בבליטות הגרעין. הכמויות הכוללות של למינים A ו־C עלו. הממצא הבולט ביותר היה שינוי בפיזור הפרוגרין: בתאי פרוגריה שלא טופלו, רק כ־30 אחוז מהפרוגרין נמצא במקטע המסיס של הנוקלאופלזמה, והשאר היה מעוגן לממברנה. לאחר הטיפול עלה החלק המסיס לכ־65 אחוז, קרוב להתנהגות של למין תקין. כשהוא משתחרר מהממברנה, פרוגרין גורר איתו פחות מהחלבונים השכנים, וגם המקטעים המסיסים של למינים A ו־C התאוששו.

בעקבות השחרור הזה השתפרו שני פנוטיפים גרעיניים. ההטרוכרומטין שסביב הגרעין, שנבדק במיקרוסקופיית אלקטרונים ובצביעה לחלבון ההטרוכרומטין HP1-alpha, הראה שיקום ניכר לעין. וריצוף RNA הראה שהטרנסקריפטום מתקרב שוב למצב התקין: תאי פרוגריה שלא טופלו נבדלו מתאי הביקורת ביותר מ־3,200 גנים, ואילו תאי פרוגריה שטופלו נבדלו בכ־1,670. בתאים תקינים, אותו טיפול שינה רק כמה עשרות גנים, ממצא התומך בכך שההשפעה על הגרעין קשורה לפרוגרין, ולא בשינוי כללי וגורף בשעתוק. העיקרון שלפיו מודלים תאיים ובבעלי חיים עונים על שאלות מצומצמות יותר מכפי שמשתמע מהכותרות מוסבר במאמר כיצד לקרוא מחקרים על מתילן כחול.

מדוע אין כאן טיפול

ארבע מגבלות משאירות את המחקר הזה במקום שאליו הוא שייך: בתוך המעבדה.

ראשית, הכול התרחש בצלחות תרבית. לפיברובלסטים בתרבית אין אספקת דם, סביבה חיסונית, מבנה רקמתי או הפרמקולוגיה של הגוף השלם, שקובעת אם תרכובת בכלל מגיעה ליעד. במחקר הזה לא ניתנה התרכובת לאף בעל חיים ולא טופל אף חולה.

שנית, פיברובלסטים של פרוגריה הם מודל של סוג תא אחד. המחלה גורמת למוות בעיקר בשל פגיעה בעורקים, בעצם ובשומן, והמחקר בדק רק פיברובלסטים לצד מודל אחד של שריר חלק. רקמות אחרות עשויות להתנהג אחרת.

שלישית, שיקום הגרעין נבע משבועות של חשיפה רציפה בריכוז ננומולרי במצע תרבית. ריכוזים בצלחת אינם מינונים, ואין במאמר דבר שמתרגם ריכוז של 100 nanomolar במצע למשטר טיפול בבני אדם. למתילן כחול יש קשר משלו בין מינון לתגובה ופרופיל בטיחות משלו בהקשרים רפואיים אחרים, והמחקר הזה אינו מספק בסיס לשימוש ביתי. את ההקשר הכללי של הבטיחות ניתן למצוא במאמר בטיחות ותופעות לוואי של מתילן כחול.

רביעית, פרוגריה אינה הזדקנות רגילה. זו מחלה נדירה הנובעת ממוטציה יחידה, שבה הפיגום הגרעיני נפגע באופן מסוים. תרכובת שמפחיתה את הפגיעה המסוימת הזאת בתאים בתרבית מלמדת מעט על הזדקנות אצל אנשים ללא המוטציה. הפנוטיפ התאי הוא חלון לתקשורת ההדדית בין הגרעין למיטוכונדריה, ולא ממצא על אריכות ימים.

לכן, סיכום הוגן חייב להיות מסויג. בפיברובלסטים של פרוגריה, פרוגרין מדכא את PGC-1alpha ומותיר מיטוכונדריה מקוטעות, איטיות, עתירות מחמצנים ודלות באנרגיה. מתילן כחול בריכוז נמוך שיקם מדדים מיטוכונדריאליים בכל התאים, ובנוסף שחרר פרוגרין מממברנת הגרעין בתאים החולים, לצד התאוששות חלקית של צורת הגרעין, ההטרוכרומטין וביטוי הגנים. הפעולה הכפולה הזאת הופכת את המחקר לכזה שכדאי להכיר. היא אינה הופכת את המתילן הכחול לטיפול בפרוגריה או בהזדקנות.