בניית יתוש עדיף: זיהוי הגנים הפעלת מלריה קדחת דנגי ההתנגדות ב א gambiae וא aegypti יתושים

אני ג'ורג' דימופולוס. אני פרופסור עוזר במחלקה למיקרוביולוגיה מולקולרית ואימונולוגיה בבית הספר לבריאות הציבור של ג'ונס הופקינס, במכון למחקר מלריה. קבוצת המחקר שלי עובדת על היתוש מגמביה המעביר מלריה, ואנו חוקרים את הביולוגיה המולקולרית של היתוש, עם עניין מיוחד במערכת החיסון המולדת של היתושים המעורבת בהריגת טפילים של מלריה.

אנו שואפים להבין כיצד פועלת מערכת חיסונית זו ואילו גנים ומולקולות חשובים להריגת הטפיל. אנו מאמינים כי באמצעות הבנת הביולוגיה של מערכת זו, נוכל להשתמש בידע זה כדי לפתח אסטרטגיות לבקרת מלריה בעתיד. מלריה היא אחת המחלות החמורות ביותר בעולם.

המחלה ליוותה את האנושות מאז ומעולם, ולמרבה הצער היא עדיין קיימת. מלריה מדביקה 400 מיליון בני אדם בכל שנה וגובה חייהם של 2 מיליון בני אדם, בעיקר באזור סוב-סaharaרה באפריקה, אך היא נמצאת גם במדינות מתפתחות אחרות בדרום אמריקה ובאסיה. מלריה נגרמת על ידי טפיל פרוטואזואי מהסוג Plasmodium, וישנם ארבעה מיני Plasmodium שיכולים לגרום למלריה בבני אדם.

החשוב ביותר מביניהם הוא Plasmodium falciparum. Plasmodium falciparum מועבר בעיקר על ידי יתושים השייכים לסוג Anopheles, ויתושי הווקטור החשובים ביותר להעברת מלריה באפריקה שמใต้ לסהרה שייכים לקומפלקס המינים Anopheles gambiae, והם מפוזרים בעיקר באזור סהרה של אפריקה. נגיף הדנגי הוא נגיף מסוג Flavivirus, והוא מועבר בעיקר על ידי היתוש Aedes aegypti.

ההפצה הגיאוגרפית שלו דומה למדי לזו של המלריה. אנו מוצאים אותו ביבשת אמריקה, בדרום-מזרח אסיה ובאפריקה. נגיף הדנגי גורם לחום ההמורגי.

כ-2.5 מיליארד בני אדם נמצאים בסיכון להידבקות בנגי הדנגי, והנגי גורם לחום המגוריים במיליוני אנשים מדי שנה. חום דנגי המגורי התגלה כאחת המחלות המועברות על ידי וקטורים החמורות ביותר בעשור האחרון. כך, לטפיל המלריה יש מחזור חיים מורכב הן בוקטור הפסוליה המעביר אותו בין המארחים האנושיים והן במארח האנושי.

וקבוצת המחקר שלי לומדת את הביולוגיה של העברת המלריה ביתוש. כאשר יתוש יצרוך ארוחה של דם נגוע, הוא יבלע גם את טפילי ה-Plasmodium falciparum. הגמטוציטים של הטפיל ילווים בהפריה במעי האמצעי וייצרו אוקינונט בערך 18 עד 35 שעות לאחר בליעת הדם.

אוקינוטים אלו יפגעו באפית מעי היתוש כאן. רוב האוקינוטים נהרגים על ידי מערכת החיסון של היתוש בשלב זה, וזהו המוקד למחקרים שלנו. זוהי גם תמונת מיקרוסקופיה קונפוקלית של האוקינוטים; אלו שהצליחו לעבור דרך המעי האמצעי ייצרו ציסטה בצד הבזאלי כאן, ובתוך ציסטה זו יתפתחו אלפי טפילים בשלב הספורוזואיט. שלבי ספורוזואיטים אלו ינדדו, כ-15 ימים לאחר שהיתוש צרך את ארוחת הדם, לעבר בלוטות הרוק, ומשם בלוטות הרוק, הספורוזואיטים יכולים לעבור למארח חדש. מערכת החיסון של היתוש מעורבת גם בהריגת ספורוזואיטים בשלב זה, כאשר הם משוחררים אל ההמוסיל של היתוש.

רצף הגנום של היתושים פוענח לאחרונה בשנת 2002, דבר שאפשר לנו לפתח כלים חדשניים בביולוגיה מולקולרית ובגנומיקה למחקר ביטוי גנים של כל היתושים, כ-14,000 גנים, בתנאי זיהום שונים באמצעות מערכים שנקראים microarrays. מערך ה-microarray הזה, שפיתחנו לפני מספר שנים, מכיל את התמלিল (transcriptome) המלא של היתושים, את כל גני היתושים שהיו ידועים באותה עת, וכן את הגנים של טפיל ה-plasmodium. לפיכך, אנו יכולים לבחון בו-זמנית את פעילות הגנים הן ביתוש והן בטפיל במהלך הזיהום.

לאחר שזיהינו גנים המופעלים כאשר היתושה נגועה בטפילי plasmodium, עלינו לבחון האם גנים אלו מעורבים בהריגת הטפיל, ואנו עושים זאת באמצעות שיטה הנקראת השתקת גנים באמצעות RNA interference. באופן בסיסי, אנו מזריקים RNA עבור הגנים שברצוננו לטרגט, ו-RNA דו-גדילי זה יגרום לפירוק של ה-mRNAs של הגנים ביתושה שאנו מטרגטים, ובכך גנים אלו לא ייצרו חלבון. לאחר מכן, נדביק את היתושה בטפיל.

כעת, אם השתקנו או השבתנו גן מסוים ביתוש, ובעקבות השתקה זו, הטפיל מצליח לבסס זיהום גבוה יותר מהרגיל בהשוואה ליתושים שלא טופלו, הדבר ירמוז כי גן זה משמש בדרך כלשהי להריגת טפילי malaria. וזוהי למעשה השיטה העיקרית שבה אנו משתמשים כדי לבחון האם גנים מעורבים בהריגת טפילים ביתוש.

מרבית טפילי הפלסמודיום (plasmodium) נהרגים בתוך הפשיקה, וישנם ראיות חזקות לכך שמערכת החיסון המולדת של הפשיקות היא האחראית העיקרית להריגה זו. המעבדה שלנו ומעבדות השותפות שלנו זיהו מגוון גנים המעורבים בתהליך הריגה זה. קיימים גם זני פשיקות שנבחרו גנטית שאינם מעבירים מלריה, מכיוון שהם הורגים את כל הטפילים במעי האמצעי באמצעות מנגנוני הגנה של מערכת החיסון המולדת.

נראה כי ליתוש יש מגוון רכיבים ומנגנוים שונים המכוונים נגד הטפיל, והאתגר הגדול ביותר כיום הוא להבין כיצד פונקציות אלו פועלות וכיצד ניתן להשתמש בהן כדי לפתח יתושים עמידים. יתוש ה-GTI משתמש במנגנונים שונים לשליטה בזיהום של נגיף הדנגי מאשר אלו שבהם משתמש יתוש ה-Aedes gambiae לשליטה בזיהום של ה-odium. ליתוש ה-aegypti, כפי שקורה אצל כל האיקריוטים, ישנו מנגנון הגנה תלוי RNA הנקרא RNA interference.

זהו למעשה מנגנון הגנה המסוגל לטרגט את ה-RNA של הנגיף לצורך פירוקו, ובדרך זו הוא מגן על עצמו מפני זיהום נגיפי. אנו מנסים להבין את מנגנון ההגנה הזה, וכיצד נוכל להניע אותו כדי לייצר יתושים העמידים לנגיף. בעשור האחרון חלה בביולוגיה המולקולרית התקדמות דרמטית, בעיקר במישור המתודולוגי, אשר האיצה את המחקר שלנו באופן משמעותי.

אחת ההתפתחויות המשמעותיות היא טכנולוגיות הרצף שאפשרו רצף בספיקת גבוהה של גנומים שלמים. הודות לטכנולוגיות אלו, הגנומים של היתושים Anopheles gambiae ו-Anopheles arabiensis רצופים כעת במלואם. דבר זה מאפשר לנו לזהות גנים המעורבים בבקרת זיהומים בצורה קלה הרבה יותר מבעבר.

התקדמות חשובה מאוד נוספת בתחום הגנומיקה הפונקציונלית היא ניתוח ביטוי גנים בעומס גבוה באמצעות מערך ז probes (microarray). מערכי probes הם שקופיות זכוכית קטנות שעליהן קובעו אלפי מקטעי DNA, וניתן להשתמש בשבבי DNA אלו כדי לנטר ביטוי גנים עבור מספר רב מאוד של גנים. התקדמות חשובה מאוד אחרת בתחום היא מתודולוגיית השתקת גנים באמצעות RNA interference, המאפשרת לנו להתמקד בגנים ולהשבית אותם ביתוש, ובכך להשתמש בגישה של גנטיקה הפוכה (reverse genetic approach) כדי לחקור את תפקוד הגנים וכיצד הגנים המעניינים אותנו חשובים להריגת הטפיל.

היתושים שביצענו עליהם ועל שיתופי הפעולה שלנו את מרבית מחקרים אלה מגיעים ממושבות יתושים שנשמרו בתנאי מעבדה במשך עד 30 שנה. יתושים אלה התבדילו בבירור באופן ניכר מהיתושים שאנו מוצאים בטבע. היתושים בטבע נמצאים תחת לחץ סלקטיבי מתמיד מצד מיקרובים שונים ופרמטרים אחרים המשתנים רבות בשטח, בהשוואה לתנאים היציבים למדי שיש לנו במעבדה.

לכן ניתן לטעון כי המחקרים שלנו ככל הנראה היו מספקים מידע רב יותר אילו היו מבוצעים ישירות על יתושים שנאספו מהשטח. עם זאת, למרבה הצער, הדבר אינו פשוט לביצוע. כפי שנאמר, אין לנו את התשתית בשטח, וכן מדובר בתהליך מסובך מאוד לאסוף יתושים מהשטח ולהקים מהם מושבות.

לפיכך, המודלים הביולוגיים הטובים ביותר העומדים לרשותנו כיום הם המודלים המעבדתיים, אך כמובן שנצטרך לרדת לשטח בנקודת זמן מסוימת כדי לאמת ולאשר את הממצאים המרכזיים העולים מהתגליות שלנו עם היתושים במעבדה. אנו יודעים שמערכות ההגנה של היתושים מעורבות בהשמדת הפתוגנים האנושיים שהחרקים הללו מעבירים. כעת, אם נבין כיצד השמדה זו מתרחשת, אילו גנים מעורבים ואילו מנגנונים פועלים, נוכל פוטנציאלית להשפיע עליהם ולהשתמש במניפולציה זו כדי לפתח יתושים מהונדסים גנטית שאינם מסוגלים להעביר את הפתוגן.

לאחר שפיתחנו יתושיים מושבחים גנטית שכאלה, נוכל להתחיל לחשוב כיצד ניתן להחדיר אותם למעשה לשטח ולהפוך אותם למין דומיננטי אל מול היתושים הרגישים. אסטרטגיה אחת שנדונה רבות להשגת מטרה זו היא למעשה הפצה של גנים עמידים באוכלוסיות טבעיות, גנים שיהפכו את היתושים לעמידים בפני הפתוגנים, ויש להשיג זאת באמצעות מנגנונים המכונה "הנעה גנטית" (genetic drive). כיום, מחקרים רבים מתמקדים בפיתוח של מנגנוני הנעה גנטית שכאלה.

כמובן, ישנם שיקולים אתיים רבים שיש להביא בחשבון בעת שחרור של כל סוג של אורגניזם שעבר שינוי גנטי לטבע. חשוב לזכור כי שינויים גנטיים מתרחשים באופן טבעי כל הזמן בשטח. לאostante שלוש המוטציות, ישנן סיבות מועטות להניח שנגיע למצב שבו היתוש יהיה יעיל יותר בהעברת פתוגן או שיהיה בעל מאפיין בלתי רצוי אחר.

התרחיש הגרוע ביותר שעלול להתרחש הוא שהפתוגן יפתח עמידות ליתוש טרנסגני זה בנקודה מסוימת, וכמובן שעלינו לבצע בדיקות שטח רבות ובדיקות מעבדה רבות לפני ששקולנו לשחרר יתוש שעבר שינוי גנטי לסביבת השטח. כמו כן, עלינו להדריך את הציבור לגבי האסטרטגיות המבוקרות הללו ולוודא שכולם מרגישים בנוח ומסכימים עם סוג כזה של אסטרטגיה. עדיין קיימים מכשולים רבים בדרכנו להשגת אסטרטגיה לבקרת מחלות המבוססת על חסימת הפתוגן בתוך היתוש המשמש כווקטור.

חלק ממכשולים אלו קשורים לסוגיות טכניות, בעיות ניסיוניות שעלינו לפתור. מכשול אחד הוא, למשל, פיתוח מנגנוני כניעה גנטית (genetic drive), מנגנונים שיאפשרו הפצה יעילה של גנים עמידים אלו באוכלוסיות. התחום המדעי של ביולוגיה של וקטורי מחלות חווה התקדמות דרמטית ב-10 עד 15 השנים האחרונות, בעיקר בשל ההכרה בכך שהבנת הביולוגיה של האינטראקציה בין חרקים לפתוגנים עשויה לסייע בפיתוח אסטרטגיות בקרה.

הכרה זו הובילה להגברת המימון למחקר בתחום זה. חשוב ביותר שמימון זה יימשך ושהמחויבות תישמר, על מנת שנוכל לשמר את המומנטום שהשגנו ולהשלים את משימתנו באמצעות הבנת הביולוגיה של האינטראקציה בין הווקטור לפתוגן, וכיצד ניתן להשתמש בביולוגיה זו כדי לפתח אסטרטגיות לבקרת מחלות.