בקרה ברמת החלבון, בקטריופאג׳ים, CRISPR - מבוא

**בקרת ברמת החלבון** בחיידק יש מנגנונים שמבקרים על פעילות החלבונים. בקרה אחת נקראת בקרה **אלוסטרית** שבה יש קישור של מולקולה לאתר שהוא לא אתר הקישור לסובסטרט. כתוצאה מכך יש שינוי במבנה האנזים וכעת הוא לא מסוגל להיקשר אליו. מנגנון בקרה נוסף הוא מודיפיקציות על גבי החלבון, בדרך כלל הוספה של מולקולות...

**בקרת ברמת החלבון** בחיידק יש מנגנונים שמבקרים על פעילות החלבונים. בקרה אחת נקראת בקרה **אלוסטרית** שבה יש קישור של מולקולה לאתר שהוא לא אתר הקישור לסובסטרט. כתוצאה מכך יש שינוי במבנה האנזים וכעת הוא לא מסוגל להיקשר אליו. מנגנון בקרה נוסף הוא מודיפיקציות על גבי החלבון, בדרך כלל הוספה של מולקולות לחלבון שמשפיעות על הפעילות שלו כמו פוספורילציה. חלבון ארוך לא פעיל יכול לעבור חיתוך וכך להפוך לפעיל. מודיפיקציה יכולות להשפי עלא רק על פעילות החלבון אלא גם על המיקום שלו. יציבות החלבון משפיעה על זמן מחצית החיים שלו לכן באופן הזה אפשר לבקר על משך פעילות החלבון. **בקטריופאג׳ים bacteriophages** יש מספר דרכים בהן חיידקים יכולים להעביר מידע גנטי ביניהם, נקרא גם העברה אופקית או gene transfer: 1. **טרנספורמציה** -- מעבר ישיר של דנא מהסביבה אל תוך החיידק. 2. **טרנסדוקציה** -- מעבר של דנא מחיידק אחד לחיידק אחר באמצעות פאג׳ים. 3. **קוניוגציה** -- מעבר של דנא באמצעות מגע ישיר בין שני חיידקים באמצעות הפילוס. 4. **טרנספוזיציה** -- רצפים חוזרים שמאפשרים למקטעי דנא לעבור ממקום למקום בכרומוזום או מחיידק לחיידק. ההעברה האופקית מאפשר לחיידקים לרכוש תכונות חדשות בפרק זמן קצר יחסית וכך לזרז את אבולוציית החיידק. התכונות יכולות להיות מועילות לחיידק אך יכולות להיות גם שליליות עבורו. בקטריופאג׳ים הם וירוסים שיכולים להדביק חיידקים. פאג׳ הוא מבנה חלבוני שעוטף בתוכו חומצות גרעין שיכולות להיות גם דנא וגם רנא. בדומה לכל הווירוסים, פאג׳ים לא מסוגלים להתרבות בעצמם אלא רק באמצעות מאחסן שאליו הם נקשרים באמצעות רצפטורים ספציפיים ומחדירים לתוכו את החומר הגנטי שלהם. בדרך כלל פאג׳ים הם ספציפיים לסוגים מסויימים של חיידקים לכן הם לא מסוכנים לתאים אנושיים. כאשר פאג׳ מדביק חיידק הוא יכול להיכנס לשני מסלולים: מסלול **ליטי** בו הפאג׳ מדביק את החיידק, מתרבה בתוכו ופורץ החוצה לאחר ההבשלה או מסלול **ליזוגני** בו הגנום של הפאג׳ מתאחה עם הגנום של החיידק, הופך ל-prophage ונשאר במצב רדום. לפאג׳ במצב הזה יש חלבון רפרסור שגורם לו להישאר במצב הליזוגני. אם הפאג׳ מרגיש שהמאחסן נמצא בתנאים מסכנים, הוא יכול לשחרר את עצמו מהכרומוזום החיידקי ולעבור לחיידק אחר. פאג׳ים שיודעים לבצע רק את המסלול הליטי יקראו **virulent** וכאלה שיודעים לבצע את המסלול השני יקראו **temperate.** **Phage lamda** בין הפאגים הנחקרים ביותר. מדביק בעיקר חיידקים מסוג אי-קולי, אורכו כ-50 אלף נוקלאוטידים והוא יודע לעשות גם את המסלול הליטי וגם את הליזוגני. הפקוטר העיקרע בפאג׳ הזה נקרא C2 אבל יש פקטורים רבים נוספים שקובעים לאיזה סוג של מסלול הוא ילך. **Bacteriophage communication** פאג׳ים יכולים להיות מושפעים מהסביבה בזמן החלטת מעבר בין פאסה ליטית או ליזוגנית. כאשר פאג׳ נוצר, הוא משחרר מולקולה פפטידית לסביבה. ריכוז המולקולה הזו יכול לסיע לפאג לקבוע את גודל האוכלוסייה שלו במדיה. שריכוז גבוה שלה יעודד את הפאגים להיכנס למסלול הליזוגני כדי לא להרוג את כל החיידקים בסיבתתם אלא לאפשר להם להתרבות ובכך להתרבות בעצמם. על גבי הפאגים יכולים להיות פאקטורים וירולנטיים כמו טוקסינים או מולקולות שמאפשרות להם להיות פתוגניים, למשל מקור הטוקסינים לחיידק הכולרה או הדיפטריה הוא בגנום של פרופאג׳ים שנמצאים במסלול הליזוגני בחיידק. **מעבר חומר גנטי בין חיידקים באמצעות בקטריופאג׳ים** המנגנון בו פאגים מסייעים בהעברת חומר גנטי חיידקי הוא באמצעות טרנסדוקציה שאפשר לחלק אותה לשני סוגים: 1. **ספציפית (specialized)** -- כאשר הפאג׳ נמצא בסלול הליזוגני, הוא מאוחה בתוך הכרומוזום החיידקי. כאשר הפאג׳ יעבור אריזה על מנת לצאת מהחיידק, החיתוך מהכרומוזום החיידקי יכול להיות לא מדוייק ולכן הוא עשוי לארוז יחד איתו דנא חיידקי שלא בכוונה ולהעביר אותו לחיידק הבא אותו הוא ידביק. 2. **כללית (general)** -- כאשר הפאג׳ נמצא במסלול הליטי, הוא עשוי לפרק דנא חיידקי ולארוז חלק ממנו באופן אקראי יחד עם החומר הגנטי של הוירוס וכך להעביר אותו לחיידק אחר. **התמודדות חיידקית מול תקיפת בקטריופאג׳ים** 1. מניעת הצמדות הפאג׳ אל החיידק על ידי עטיפת החיידק בקפסולה אליה הווירוס לא יכול יכול להיצמד. 2. מניעת החדרת גנום הפאג׳ אל החיידק על ידי חסימה של מנגנון ההחדרה. 3. שימוש באנזימי רסטריקציה שחותכים את גנום הפאג׳ המוחדר אל החיידק. על גבי דנא חיידקי יש מטילציות שאין על גנום הפאג׳ וכך הוא מסוגל להבדיל בינהם ולפרק את החומר הגנטי הזר. 4. עצירת המחזור הליטי של הוירוס בדרך כלל על ידי מוות עצמי של החיידק. 5. הפרעה בתהליך הרכבת הפאג׳ על ידי מניעה של הכנסת גנום הוירוס אל הקופסית שלו. 6. יצירת מעין זיכרון חיסוני כנגד גנום הפאג׳ באמצעות מערכת CRISPR-Cas. רלוונטי רק כאשר חיידק שורד את התקפת הוירוס. **CRISPR** מערכת שמבוססת על רנא ומטרתה לפגוע בדנא זר. העיקרון העיקרי של המערכת הוא זיהוי של רצפי דנא ספציפיים על ידי זיווג בסיסים עם מולקולות רנא וכתוצאה מכך פירוק של אותו דנא. באיור מתואר בקרטיופאג׳ שמחדיר את הדנא הצבעוני שלו אל החיידק. חלבוני CAS חיידקים מסוגלים לזהות רצפים ספציפיים על גבי הדנא הויראלי (protospacer), לקשור אותם ולהכניס אותם אל הכרומוזום החיידקי באזור שמקודד ל-crispr. בכרומוזום החיידקי יש רצפים חוזרים (צהובים) ובניהם רצפים ספציפיים של וירוסים אחרים שהוחדרו אליו בשלבים מוקדמים יותר של חייו. בשלב הבא, הדנא הויראלי בתוך הכרומוזום החיידק עובר שעתוק לרנא, עיבוד ואליו נקשרים גם חלבוני CAS. חלבוני אלו ממשיכים להתקיים בתוך החיידק ואם הם קושרים דנא ויראלי שתואם לרצף הרנא בחלבון זה, הוא עובר דגרדציה. המערכת הזו רלוונטית רק כאשר החיידק שורד את ההתקופה הראשונה של הוירוס. אם החיידק מת בפעם הראשונה, לא יהיה חיידק שיפעיל את המנגנון הזה. יחד עם זאת, מספיק שמספר קטן יחסית מתוך אוכלוסיה גדולה של חיידקים יצליח לשרוד את ההתקפה כדי לפתח אוכלוסיה שעמידה לוירוס. כיום באמצעות שיטת קריספר אפשר לבצע שינויים בגנום בתאים אאוקריוטיים. למשל המערכת CRISPR-Cas9 מסוגלת לחתוך דנא באזורים ספציפיים בעזרת הכוונה של מולקולות רנא (gRNA). בשיטה זו אפשר לבצע תיקונים נקודתיים, הוספה או החסרה של מקטעי דנא.