בכל רגע ורגע נוצרים בתאים שבגופנו חלבונים רבים. לחלבונים אלה מגוון תפקידים בכל שלבי החיים, מרגע יצירת התאים ועד מותם. בכדי לפעול באופן תקין, על החלבונים הנוצרים בריבוזום להתקפל למבנה התלת מימדי הנכון שלהם. אי יכולת להגיע למבנה תקין ויציב עשויה להביא להצטברותם של החלבונים בצברים תוך-תאיים, העלולים לסכן את התא. דוגמא לכך היא יצירת צברים חלבוניים במוח במהלך הזדקנותם של יצורים עילאיים, דבר העלול להביא למוות של תאי מוח ולהתפתחותן של מחלות ניווניות של מערכת העצבים כגון אלצהיימר, פרקינסון ועוד. כדי למנוע את מות התאים, פועלות בגופנו מערכות תאיות של בקרת איכות, שתפקידן לסייע בקיפול נכון של החלבונים, וכאשר לא ניתן לבצע את הקיפול בצורה מיטבית, הן שולחות את החלבונים הבעייתיים לפירוק.

בתהליך פירוק החלבונים מעורבת מערכת האוביקויטין-פרוטאזום. מערכת זו מסמנת חלבונים בתא על ידי צימוד שרשרת של מולקולות אוביקויטין (חלבון קטן הנמצא בכל תאי הגוף והכרחי לפעולתם התקינה) לחלבון המטרה. שרשרת זו מזוהה על ידי קולטנים המצויים על גבי קומפלקס חלבוני גדול הנקרא פרוטאזום. לקומפלכס זה פעילות אנזימתית המפרקת חלבונים לפפטידים קצרים, היכולים בהמשך להתפרק לחומצות אמינו בודדות, אשר תשמשנה לבניית חלבונים חדשים בתא. לפיכך, הפרוטאזום נחשב כ"פח הזבל" המרכזי בתאים אאוקריוטיים, אליו "מושלכים" חלבונים שעבר זמנם לצרכי פירוק ומיחזור.

כיצד אם כן "מעדכנים" חלבוני התא את מערכת האוביקויטין-פרוטאזום שהגיע זמנם? שאלה זו עומדת בבסיס המחקר במעבדה שלנו.

חלבונים רבים בתא עוברים פירוק מבוקר, המאפשר את סילוקם המהיר כאשר אין בהם שוב צורך. בחלבונים אלה קיים רכיב ייחודי הנקרא דגרון (degron), הקושר אליו אנזימים המצמידים את מולקולות האוביקויטין לחלבונים המיועדים לפירוק.
לעומת זאת, מערכת בקרת האיכות של חלבונים מכוונת לכלל חלבוני התא, העשויים ברגע זה או אחר להימצא בקיפול שאינו מיטבי, ולכן נדרש סילוקם המיידי. עד היום לא נמצא דגרון ייחודי הגורם לפירוק של כלל חלבוני התא כאשר עולים קשיים בקיפולם, אם כי הועלתה האפשרות שמדובר במעורבות של חומצות אמינו הידרופוביות, הנמצאות בדרך כלל בליבת החלבון, ונחשפות רק כאשר החלבון אינו מקופל באופן מיטבי.

בכדי להבין מהו הדגרון המצוי בחלבונים וגורם לפירוקם כחלק ממנגנון בקרת האיכות התאית, בנתה ביאן מערכת ניסויית חדשה. במערכת זו נבדקה יכולתו של כל אחד מעשרות אלפי מקטעי חלבון בני 17 חומצות אמינו, שמקורם בחלבוני שמר האופים (Saccharomyces cerevisiae), להשרות את פירוקו של חלבון מדווח באמצעות מערכת האוביקויטין-פרוטאזום. על סמך הממצאים נקבע לכל רצף שנבדק ניקוד המשקף את מידת השפעתו על פירוק החלבון.    נתונים אלה הוזנו לאלגוריתם מסוג "למידת מכונה" (Machine Learning), אשר קבע את הסיכוי היחסי של כל אחת מעשרים חומצות האמינו  המצויות בתא לתרום לפירוק חלבון מטרה. אזורים בחלבון להם הייתה תרומה יחסית גדולה הוגדרו כדגרונים, ונקבע הרכב חומצות האמינו שלהם ומיקומם על גבי החלבון.

התוצאות מראות כי אכן חומצות אמינו הידרופוביות בדגרון תורמות לאפקט הפירוק, בעוד שחומצות אמינו טעונות שלילית מפריעות לו, ואילו לחומצות אמינו טעונות חיובית אין השפעה כלל. בהמשך מיפינו את מיקומי הדגרונים במבנים המרחביים של חלבוני השמר באמצעות תכנת AlphaFold , המנבאת מבנה תלת מימדי של חלבונים. כך נמצא כי מבנה שניוני מסוג אלפא הליקס הוא המבנה המועדף למיקום הדגרון. כאשר ערכנו השוואה בין רצפי הדגרונים שנמצאו בשמר האופים לאלה שנמצאו באדם, נמצא דמיון רב המעיד על שמירות אבולוציונית גבוהה.

לסיכום, בעבודה זו מיפינו נוכחות דגרונים בחלבונים שונים בתא השמר, וגילינו אוסף של תכונות ייחודיות ושמורות אבולוציונית של דגרונים המעורבים בבקרת איכות תאית. דגרונים אלה מצויים בליבת החלבון, והם כנראה נחשפים כאשר החלבון מאבד את המבנה התלת מימדי הנכון שלו עקב שינויים בתנאי הסביבה או עקב תהליכים פנימיים כגון הזדקנות התאים. במחקר עתידי ננסה לפענח את מנגנון חשיפת הדגרון, שהוא השלב קובע הקצב של תהליך פירוק החלבון.

מלבד התרומה החשובה להבנת מנגנוני פירוק חלבונים בחלבוני השמר, מאפשר האלגוריתם שפיתחנו למפות דגרונים בכל חלבון הנמצא בתאים אאוקריוטיים על סמך הרצף שלו. חידוש זה יאפשר לחוקרים להבין מנגנוני פירוק של חלבונים שונים המעורבים בהתפתחות מחלות, ובכך יתאפשר פיתוחן של שיטות חדשות לזירוז או עיכוב של פירוק חלבונים לצרכי ריפוי - תחום פרמקולוגי הצובר תאוצה בשנים האחרונות. 

קיראו את המאמרים:

• Nature Communications 
• Journal of Molecular Biology