קריאה שגויה

MRNA-interaction — בתוך הגרעין: שלב השעתוק.
מחוץ לגרעין: שני חלקי הריבוזום נצמדים לקוד ה-RNA.
שלב התרגום: חומצות אמינו הקשורות ל-tRNA ספציפי נקשרות לאתר בריבוזום, כאשר כל יחידה מכילה את הקוד הנגדי של ה-mRNA. החומצה האמינית משתחררת מהנשא ונקשרת לחומצה הסופית שבחלבון. הריבוזום מתקדם ב-3 נוקלאוטידים לקליטת החומצה הבאה.

קריאה שגויה (באנגלית: Molecular misreading) היא תוצאה של טעות בשלב התרגום של קוד ה-mRNA על-ידי הריבוזום.^[1]

רקע

שרשרת התהליכים בייצור חלבון כוללת שלושה שלבים. השלב הראשון הוא תהליך השעתוק, שבו מועתק הקוד הגנטי הקבוע ב-DNA אל שרשרת ה-mRNA. בשלב השני, הריבוזום על שני חלקיו נקשר לשרשרת ה-RNA מחוץ לגרעין התא ובתהליך התרגום מתאים את קוד ה-tRNA המקודד לחומצה אמינית ספציפית. בשלב השלישי, החומצה האמינית החדשה נקשרת לשרשרת החלבון, הריבוזום מתקדם על ה-RNA והתהליך נמשך. דילוג על אות אחת בקוד שנטבע ב-RNA יגרום לייצור שרשרת חלבונים שונה.

גורמים

השגיאה נגרמת כתוצאה מהחלפת נוקליאוטיד אחד במשנהו (בדומה למוטציה נקודתית) או משיבוש הקוד של גן שלם על-ידי תזוזה של שרשת ה־mRNA כולה (Frameshift mutation).^[א] אפשרות אחת היא על ידי קישור שגוי של tRNA הקשור לחומצה אמינית אחת באחרת. כתוצאה מכך מתקבל "מוטנט" שהוא אינו תוצאה של מוטציה גנטית, כלומר חלבון שגוי שלא ממלא את הפונקציה הנדרשת, כמו אנזים לא פעיל.

אפשרות אחרת היא פגיעה במנגנון התרגום והתנועה של הריבוזום עצמו באזור שבו מתחבר הריבוזום לשרשרת הקוד הגנטי המוטבע בסדר הנוקליאוטידים של ה-mRNA בתהליך התרגום. כתוצאה מכך מתקבלת תזוזה של הקוד כולו והחלבון הנוצר חסר כל תפקוד. האזור הפגוע בריבוזום הגורם לשגיאה זו נמצא בחלבונים L7 ו־L12 המתפקדים בחיבור שבין שני מרכיבי הריבוזום (בריבוזום פרוקריוטי).^[2] מכיוון שבדרך כלל הריבוזומים ערוכים במחרוזת על גבי ה־RNA (פוליזום) וכל ריבוזום יוצר בסדרה זו מולקולה אחת של פוליפפטיד. התוצאה עשויה לייצר מספר רב של מולקולות חלבון שגויות. התופעה נמצאה גם בתרביות של תאים אאוקריוטים בחולדות בגן הגורם לסוכרת, ובאדם בגנים הגורמים לאלצהיימר.^[3]

הסיבות לשגיאה

ישנם שני אזורים שונים בתהליך התרגום של ה־RNA לחלבון שטעות בהם עשויה לגרום לגרום לקריאה שגויה. הראשון הוא שלב טעינת ה-tRNA שעשויה לקרות בו טעות סטטיסטית מקרית, בדרך כלל בגלל פגיעה במבנה ה-tRNA עצמו.^[ב] השני הוא פגיעה בחלבונים L7 ו-L12 המרכיבים את אזור החיבור שבין שני חלקי הריבוזום. פגיעה כזו נגרמת על-ידי תרופות אנטיביוטיות מקבוצת האמינוגליקוזידים המעכבות סינתזת חלבון בריכוזים נמוכים (למשל סטרפטומיצין וגנטמיצין), אך לא על-ידי מעכבי סינתזת חלבון העוצרים את הריבוזום ומפסיקים את ייצור החלבון דוגמת כלורמפניקול.^[4]

שימוש בקריאה שגויה לתיקון מוטציה גנטית

מוטציה גנטית מסוג frame-shift או מוטציה נקודתית הפוגעת באתר הפעיל של אנזים, גורמת בדרך כלל להפסקת הפעולה של האנזים. קריאה שגויה הנובעת מפגיעה בקישור הריבוזום ל־RNA שליח יכולה לגרום להזזה חזרה או לדילוג של קישור של יחידת tRNA אחת ושיחזור של השרשרת המקורית של הגן כולו ובכך להביא ל"תיקון" של חלבון שגוי שנוצר כתוצאה מהמוטציה הגנטית בשלב התרגום ולקבלת אנזים פעיל. הוכחה לתהליך זה נעשתה בשימוש בחיידקים מאירים (Bioluminescent bacteria) המצויים בים.^[5] שימוש במוטגנים שונים אפשר להפיק מוטנטים חשוכים, כלומר השתקת הפעילות של האנזים לוציפראז המאפשר ביולומינסנציה. בניסוי התברר שבחלק מהמוטנטים מסוג frame-shift, הוספה של סטרפטומיצין בריכוז סב-לתלי (שאיננו גורם לתמותה) גרמה ליצירת אור שניתן לקריאה בגשש המסוגל למדוד קרינת אור מזערית, כלומר נוצרו מספר מולקולות תקינות של האנזים שגרמו לחיידק להאיר.^[6] ניסויים דומים נעשו גם בחיידק E.coli ובשמרים.^[7]

חשיבות התהליך

באנליטיקה של אנטיביוטיקה

הצטברות של תרופות אנטיביוטיות במזון ובביוספרה גורמת לנזק רב-ממדי, על-ידי יצירת זנים עמידים,^[8] השמדת מיקרואורגניזמים מועילים והשפעה על המיקרוביוטיקה של חיידקי המעיים והמיקרוביוספרה כולה. השימוש במוטנטים "חשוכים" של חיידקים מאירים שמגיבים ביצירת אור כתוצאה מקריאה שגויה על נוכחות תרכובות אלה, יכול לזהות ריכוזים נמוכים במיוחד של אנטיביוטיקה ובכך ניתן לבצע ניטור אנטיביוטיקה במים, במזון ובאוויר בעזרת חיישנים אוטומטיים.^[5]^[9]

ברפואה

הקשר בין קריאה שגויה לאבחון, מחקר ואולי בעתיד ריפוי, נחקר בעיקר בהשפעת אנטיביוטיקה בריכוזים נמוכים ולאורך זמן. נמצא קשר בין קריאה שגויה לאלצהיימר, לסיסטיק פיברוזיס ולסוכרת בחיות ובאדם. שיעור התופעה ברקמות שונות יכול לשמש מדד לנזק מצטבר במעקב אחרי הזדקנות והתקדמות מחלות אלה כמו גם מחלות ניווניות ברקמות המעי ובעצבים.^[3]^[10] האפשרות להחזיר לפעילות אנזימים שאינם פעילים כתוצאה ממוטציה גנטית מסוג frame-shift, בעזרת מנגנון הקריאה השגויה תיתכן אך עדיין לא פורסמה במחקר סדיר.

ביאורים

^ Frame-shift היא מוטציה הגורמת לתזוזה של שרשרת הנוקליאוטידים המרכיבים את הגן המקודד לחלבון מסוים. כתוצאה מכך כל ה"אותיות" בפקודה הגנטית יוסטו ויתקבל רצף חסר כל משמעות ביולוגית וחלבון שונה לחלוטין מהנדרש.
^ tRNA הוא נשא המוביל חומצה אמינית ומחבר אותה לשרשרת החלבון בתוך הריבוזום ובהתאם לקוד המתאים ב־mRNA. לכל חומצה אמינית נשא ספציפי, ולכן שגיאה בזיהוי תביא להטענת חומצה אמינית שגויה.

הערות שוליים

^ Joanna E. Huddleston, Misreading the code, Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 2011-04, עמ' 206–206 doi: 10.1038/nrm3095
^ L A Kirsebom, L A Isaksson, Involvement of ribosomal protein L7/L12 in control of translational accuracy., Proceedings of the National Academy of Sciences 82, 1985-02, עמ' 717–721 doi: 10.1073/pnas.82.3.717
^ ¹ ² FRED W. VAN LEEUWEN, DAVID F. FISCHER, ROB BENNE, ELLY M. HOL, Molecular Misreading: A New Type of Transcript Mutation in Gerontology, Annals of the New York Academy of Sciences 908, 2000-06, עמ' 267–281 doi: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06654.x
^ Timothy C. Johnston, Jack Parker, Streptomycin-induced, third-position misreading of the genetic code, Journal of Molecular Biology 181, 1985-01-20, עמ' 313–315 doi: 10.1016/0022-2836(85)90094-4
^ ¹ ² S. Ulitzur, <179::aid-bio444>3.0.co;2-z Established technologies and new approaches in applying luminous bacteria for analytical purposes, Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence 12, 1997-07, עמ' 179–192 doi: 10.1002/(sici)1099-1271(199707/08)12:4<179::aid-bio444>3.0.co;2-z
^ A. Naveh, S. Ulitzur, Determination of misreading effect of antibiotics with the aid of luminous bacteria, Journal of Microbiological Methods 4, 1986-04-01, עמ' 241–249 doi: 10.1016/0167-7012(86)90035-7
^ Timothy C. Johnston, Jack Parker, Streptomycin-induced, third-position misreading of the genetic code, Journal of Molecular Biology 181, 1985-01, עמ' 313–315 doi: 10.1016/0022-2836(85)90094-4
^ קופת חולים כללית, חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה, באתר clalit.co.il, ‏20.9.2018
^ L. Bolelli, E.N. Ferri, S. Girotti, The management and exploitation of naturally light-emitting bacteria as a flexible analytical tool: A tutorial, Analytica Chimica Acta 934, 2016-08, עמ' 22–35 doi: 10.1016/j.aca.2016.05.038
^ F van Leeuwen, Molecular misreading: a new type of transcript mutation expressed during aging, Neurobiology of Aging 21, 2000-12, עמ' 879–891 doi: 10.1016/S0197-4580(00)00151-2

[2] Frame-shift היא מוטציה הגורמת לתזוזה של שרשרת הנוקליאוטידים המרכיבים את הגן המקודד לחלבון מסוים. כתוצאה מכך כל ה"אותיות" בפקודה הגנטית יוסטו ויתקבל רצף חסר כל משמעות ביולוגית וחלבון שונה לחלוטין מהנדרש.

[5] tRNA הוא נשא המוביל חומצה אמינית ומחבר אותה לשרשרת החלבון בתוך הריבוזום ובהתאם לקוד המתאים ב־mRNA. לכל חומצה אמינית נשא ספציפי, ולכן שגיאה בזיהוי תביא להטענת חומצה אמינית שגויה.

[1] Joanna E. Huddleston, Misreading the code, Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 2011-04, עמ' 206–206 doi: 10.1038/nrm3095

[3] L A Kirsebom, L A Isaksson, Involvement of ribosomal protein L7/L12 in control of translational accuracy., Proceedings of the National Academy of Sciences 82, 1985-02, עמ' 717–721 doi: 10.1073/pnas.82.3.717

[:0-4] ¹ ² FRED W. VAN LEEUWEN, DAVID F. FISCHER, ROB BENNE, ELLY M. HOL, Molecular Misreading: A New Type of Transcript Mutation in Gerontology, Annals of the New York Academy of Sciences 908, 2000-06, עמ' 267–281 doi: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06654.x

[6] Timothy C. Johnston, Jack Parker, Streptomycin-induced, third-position misreading of the genetic code, Journal of Molecular Biology 181, 1985-01-20, עמ' 313–315 doi: 10.1016/0022-2836(85)90094-4

[:1-7] ¹ ² S. Ulitzur, <179::aid-bio444>3.0.co;2-z Established technologies and new approaches in applying luminous bacteria for analytical purposes, Journal of Bioluminescence and Chemiluminescence 12, 1997-07, עמ' 179–192 doi: 10.1002/(sici)1099-1271(199707/08)12:4<179::aid-bio444>3.0.co;2-z

[:2-8] A. Naveh, S. Ulitzur, Determination of misreading effect of antibiotics with the aid of luminous bacteria, Journal of Microbiological Methods 4, 1986-04-01, עמ' 241–249 doi: 10.1016/0167-7012(86)90035-7

[9] Timothy C. Johnston, Jack Parker, Streptomycin-induced, third-position misreading of the genetic code, Journal of Molecular Biology 181, 1985-01, עמ' 313–315 doi: 10.1016/0022-2836(85)90094-4

[10] קופת חולים כללית, חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה, באתר clalit.co.il, ‏20.9.2018

[11] L. Bolelli, E.N. Ferri, S. Girotti, The management and exploitation of naturally light-emitting bacteria as a flexible analytical tool: A tutorial, Analytica Chimica Acta 934, 2016-08, עמ' 22–35 doi: 10.1016/j.aca.2016.05.038

[12] F van Leeuwen, Molecular misreading: a new type of transcript mutation expressed during aging, Neurobiology of Aging 21, 2000-12, עמ' 879–891 doi: 10.1016/S0197-4580(00)00151-2

[1]

[א]

[2]

[3]

[ב]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]