רטרו-וירוסים גורמי סרטן

רטרו-וירוסים גורמי סרטן (באנגלית: Oncoretroviruses) הם נגיפים מידבקים, תת-מיקרוסקופים, הבנויים מצבר של מולקולות חלבון העוטפות את הגנום הנגיפי (העשוי בדרך כלל מ-DNA או RNA). קיימים סוגים שנים של נגיפים המסווגים למשפחות שונות. רטרו-וירוסים (retroviruses) מהווים משפחה של נגיפים בעלי גנום שמורכב משני עותקים של RNA חד-גדילי. מחזור ההתרבות שלהם מאופיין בשני שלבים ייחודיים: שלב השעתוק במהופך (reverse transcription) ושלב האינטגרציה (integration). לאחר חדירת הנגיף לתא שאותו הוא מדביק, חל שלב השעתוק במהופך, שבו גנום ה-RNA הנגיפי משמש תבנית ליצירת DNA דו-גדילי על ידי האנזים הנגיפי reverse transcriptase. לאחר שלב זה, מתחולל שלב האינטגרציה שבו מוחדר תוצר ה-DNA הדו-גדילי אל תוך הגנום של התא המודבק. החדרה זו מבוצעת באמצעות האנזים הנגיפי אינטגראז (integrase). מנקודה זו והלאה, גנום הנגיף יהווה חלק מגנום התא המודבק, ולכן ישוכפל, ישועתק ויתורגם יחד עמו. גנום הנגיף שנמצא בתוך גנום התא המארח מכונה כעת פרו-וירוס (אנ'). סוגים שונים של נגיפים יכולים לגרום לסרטן במארח (host) שלהם (כלומר בחיה או באדם שאותם הדביקו). סוגים אלו כוללים נגיפי DNA ו-RNA שונים. סוגים שונים של נגיפים עשויים לחולל סוגי סרטן שונים, כתוצאה מיכולתם להדביק סוגי תאים שונים ובגלל מנגנוני ההתמרה (transformation; דהיינו מנגנוני הפיכת התא הנורמלי לתא סרטני) השונים. אחת הקבוצות הנחקרות בהקשר זה היא קבוצת הרטרו-וירוסים הפשוטים (simple retroviruses). נגיפים אלו מאופיינים בגנום פשוט יחסית המכיל כשלושה עד ארבעה גנים עיקריים. ככל הידוע, רטרו-וירוסים פשוטים גורמים לסרטן בחיות בלבד, ולא בבני אדם. דוגמה לנגיף מעין זה הוא ה-Murine Leukemia Virus (MLV) הגורם לגידול סרטני בעכברים ובחולדות, והמשמש כמודל מחקר עיקרי להתפתחות גידולים סרטניים כתוצאה מהדבקה בסוג נגיפים זה. קיימים רטרו-וירוסים שאינם פשוטים (כלומר שהגנום שלהם מקדד למספר רב יותר של גנים), העשויים לגרום לסרטן גם בבני אדם – דוגמה לכך הוא ה-(HTLV) Human T-lymphotropic virus – אך המנגנונים בהם הם גורמים לסרטן אינם ידועים במלואם. נגיפים אלו אינם הנושא של ערך זה. ככלל, רטרו-וירוסים פשוטים אינם הורגים את התא שאותו הם מדביקים (בניגוד לסוגים רבים של נגיפים אחרים). לכן, התאים המודבקים יכולים לשרוד, ובהמשך להפוך לסרטניים. תוארו מספר מנגנונים שונים שבהם רטרו-וירוסים פשוטים גורמים לתא המודבק בנגיף להפוך לסרטני. ישנם רטרו-וירוסים שהגנום שלהם מכיל גן המקדד לחלבון שפעילותו מאיצה את הפיכת התא הנורמלי לתא סרטני. גן שכזה מכונה באופן כללי "אונקוגן" (oncogene), וידועים גנים שונים העונים להגדרה זו. רטרו-וירוס המכיל אונקוגן מסוגל להחדיר אותו (ביחד עם שאר הגנום שלו) לתוך גנום התא המודבק. במצב זה, האונקוגן ישוכפל, ישועתק ויתורגם יחד עם הגנום התאי ויביא להתמרת התא, ובהתאם, כאשר התא הסרטני יתחלק לשני תאי בת, גם תאי הבת יכילו בגנום שלהם את האונקוגן ויבטאו אותו. בצורה כזו, מונצח ביטוי האונקוגן בכל תאי הגידול. רטרו-וירוסים פשוטים עשויים להכיל אונקוגנים השונים זה מזה. בנוסף, היכולת של הנגיפים הללו להדביק סוגי תאים שונים ולבטא בתוכם אונקוגן כזה או אחר, עשויה לגרום להופעה של גידולים סרטניים מסוגים שונים. לדוגמה, גידולים מסוג סרקומה (sarcoma; גידולים של רקמת חיבור), או גידולים בתאים המטופויטיים (hematopoietic stem cells; תאים של מערכת הדם). v-oncogenes ו-c-oncogenes האונקוגן שנמצא בגנום הנגיפי נקרא בשם הכללי v-oncogene. התברר שלכל v-oncogene קיים גן תאי הדומה לו (אך אינו זהה לו) הקרוי בשם הכללי "פרוטו-אונקוגן" (proto-oncogene), או c-oncogene. המחשבה כיום היא שמקורו האבולוציוני של כל v-oncogene ספציפי הוא בפרוטו-אונקוגן התאי הדומה לו. התברר גם שהפרוטו-אונקוגנים התאיים מקדדים לחלבונים תאיים שפועלים במסלולי העברת אותות בתא. מסלולי העברת אותות בתא מתייחסים ליכולת של התא לקלוט מידע הנוגע לגורם חיצוני, להעביר אל תוך התא (כולל אל תוך גרעין התא) אותות הנוצרים בתגובה למידע זה ולהפעיל ביטוי של גנים תאיים המצויים בגרעין. הפעלת הביטוי נעשית באמצעות גורמי שעתוק (transcription factors), המופעלים בתורם בעקבות קבלת המידע החיצוני. מסלולים שכאלו מבקרים, בין השאר, את חלוקת התא ולכן ימצאו בצורתם הרגילה תחת בקרה הדוקה ביותר שתמנע את חלוקת התא שלא לצורך. בעוד שהפרוטו-אונקוגנים התאיים התקינים מבוקרים, כאמור, בצורה הדוקה, הרי שהגנים הנגיפיים מסוג v-oncogene פועלים בצורה שאינה מבוקרת. בדרך כלל, גנים אלו "יופעלו ביתר" (כלומר יהיו בעלי פעילות עודפת) ויגרמו לחלוקה בלתי מרוסנת של התא וליצירת גידול סרטני. לדוגמה, סוג נפוץ של v-oncogenes הם גנים המקדדים לגורמי שעתוק, שכן זוהי דרך יעילה להתמיר את התא. בהתאם, v-oncogene עשוי לקדד לגורם שעתוק הפעיל באופן קבוע, ושאינו דורש כלל חישה חיצונית להפעלתו. הפעלה קבועה זו עשויה לגרום לעליה בשעתוק של גנים הנחוצים להתפתחות התהליך הסרטני ולהפחתה בשעתוק של גנים המדכאים אותו. יש להבהיר כי v-oncogene עשוי לקדד לחלבון שאינו בהכרח גורם שעתוק, אלא גורם אחר המעורב במסלול העברת האותות התאי. היסטורית, גילוי ה-v-oncogenes קידם רבות את חקר הסרטן. למעשה, גודלו הקטן יחסית של הגנום הנגיפי הקל על גילוי הגנים האלו ברטרו-וירוסים. הדבר אפשר את הזיהוי והקטלוג של מספר רב של v-oncogenes, ובאמצעותם, את הזיהוי של הגנים התאיים הדומים להם (הפרוטו-אונקוגנים). באותן השנים, זיהוי ישיר של פרוטו-אונוקגנים שכאלו בתוך הגנום התאי היווה משימה קשה בגלל גודלו הרב של גנום התא המאכסן. לדוגמה, בעוד שהגנום של רטרו-וירוס פשוט מכיל כעשרת אלפים זוגות בסיסים, הרי גודלו של גנום תא יונק עומד על כמה אלפים של מיליוני זוגות בסיסים (כלומר, אורכו של גנום של תא הלקוח מאדם או עכבר, לדוגמה, גדול ביותר מחמישה סדרי גודל מגנום הנגיף). דוגמה לרטרו-וירוס פשוט, בעל יכולת התרבות עצמאית, הגורם לסרטן ומכיל אונקוגן – נגיף ה-RSV (RSV) Rous Sarcoma Virus הוא דוגמה לרטרו-וירוס פשוט המדביק תרנגולות, והגורם להופעת גידולים סרטניים מסוג סרקומה. יכולתו של RSV לגרום לגידולים סרטניים התגלתה בשנת 1911 ובכך הפך לנגיף המסרטן הראשון שהתגלה. נגיף זה מכיל את כל הגנים הדרושים ליצירת רטרו-וירוס מדביק ולהתרבותו (גנים הקרויים gag, pol, ו- env). נגיף ה-RSV מכיל גן נוסף, מסוג v-oncogene, הקרוי v-Src. אונקוגן זה אחראי להתמרה הסרטנית. לאחר גילויו של אונקוגן זה, נמצא גם מקבילו התאי – גן המצוי בתא המאחסן ומקודד לחלבון ה-c-Src. חלבון תאי זה הוא קינאז האחראי להעברת אותות בתא, ובין היתר שולט על חלוקת התא. כיצד גורם חלבון ה-v-Src להתמרה התאית? המחקר ההשוואתי של חלבוני ה-v-Src וה-c-Src הביא למספר תובנות. באופן כללי התברר כי בעוד שפעילותו של חלבון ה-c-Src התאי היא מבוקרת במספר רמות, הרי שחלבון ה-v-Src הוא פעיל באופן קבוע. אחת מדרכי הבקרה החשובות על פעילות חלבון ה-c-Src היא יכולתו להתקפל על עצמו: התברר כי אזור (דומיין, domain) המצוי במרכז החלבון – והקרוי Src Homology 1 (SH1) - מסוגל לקשור חומצה אמינית מסוג טירוזין (tyrosine) בעלת קבוצת פוספט (phosphorylated tyrosine) הנמצאת בקצהו של החלבון (בעמדה מספר 527). הדבר מביא לקיפול החלבון על עצמו ולעיכוב בפעילותו (תמונה 1א). כאשר דרושה העברת אותות רגילה בתא, באמצעות חלבון ה-c-Src, חלבונים אחרים קושרים את הפוספט של הטירוזין בעמדה 527, החלבון נפתח מקיפולו, והופך לפעיל (תמונה 1ב). לעומתו, חלבון ה־v-Src הנגיפי הוא חלבון קצר יותר החסר את האזור המכיל את הטירוזין בעמדה 527. בהתאם, החלבון הנגיפי (לעומת החלבון התאי) חסר את היכולת להתקפל על עצמו בצורה המונעת את פעילותו (תמונה 1ג). כתוצאה מכך, חלבון ה-v-Src איבד את הבקרה השלילית על פעילותו והוא חלבון פעיל באופן קבוע. לסיכום, תא שיודבק בנגיף ה-RSV יבטא באופן קבוע את חלבון ה-v-Src מגנום הגיף. חלבון זה פעיל בצורה קבועה ובלתי מבוקרת. הדבר יגרום לכך שבתא המודבק תתרחש שרשרת העברת אותות ה"פוקדת" על התא להתחלק באופן קבוע, גם ללא גירוי חיצוני. רטרו-וירוסים פשוטים, המשוללים יכולת התרבות עצמאית, והגורמים לסרטן באמצעות אונקוגן כפי שצוין, RSV הוא רטרו-וירוס שגורם להתמרה סרטנית באמצעות אונקוגן, ובנוסף מבטא את כל הגנים הדרושים להתרבות הנגיף. לאחר גילויו, התגלו רטרו-וירוסים פשוטים בעלי אונקוגנים נוספים. בדומה למקרה ה-v-Src, ביטוי של אונקוגנים שונים אלו גרם להתמרת התאים המודבקים בצורות שונות. עם זאת, התברר כי רטרו-וירוסים אלו, בניגוד ל-RSV, אינם מכילים בגנום שלהם את אחד או יותר מהגנים התקינים הדרושים להתרבותם (כאמור, gag, pol, או env) והדרושים לשם העברת הנגיפים מתא לתא. רטרו-וירוסים מסוג זה, המכונים גם נגיפים דפקטיביים (defective viruses), מסוגלים להתרבות ולעבור מתא לתא ומחיה לחיה רק בנוכחות של נגיף נוסף הדומה להם והמספק להם את תוצרי הגנים החסרים (הנגיף שמספק תוצרים אלו מכונה גם בשם הכללי helper virus). כך, בנוכחות נגיף ה-helper, הרטרו-וירוס הדפקטיבי יוכל להדביק תאים חדשים ולבטא בהם את האונקוגן שאותו הוא נושא ולהתמירם. למעשה, התברר כי רוב הרטרו-וירוסים הפשוטים נושאי האונקוגנים הם מסוג הנגיפים הדפקטיביים, ואלו נגיף ה-RSV, הנושא אונקוגן ביחד עם כל הגנים הדרושים להתרבותו, הוא המקרה יוצא הדופן. מחקר הרטרו-וירוסים הפשוטים הגורמים לסרטן גילה כי קיימים נגיפים שאינם מבטאים כלל אונקוגן מסוג כלשהו. התברר כי הגנום של נגיפים מסוג זה מכיל אך ורק את הגנים הדרושים להתרבות הנגיף (gag, pol, ו- env; תמונה 2), דבר שהביא לשאלה כיצד נגיפים אלו גורמים להתמרת התא אותו הם מדביקים. דוגמאות ידועות לנגיפים מהסוג הזה הם נגיף ה-MLV ונגיף ה-(ALV) Avian Leukosis Virus הגורמים ללוקמיה בעכברים ובעופות, בהתאמה. תוארו מספר דרכים שבהן רטרו-וירוסים מסוג זה גורמים להתמרת התא. המכנה המשותף לכל הדרכים הללו הוא השינוי הגנטי שמתרחש בעקבות החדרת ה-DNA הנגיפי (שכאמור מכונה פרו-וירוס, והנוצר בעקבות שלב השעתוק במהופך) לתוך גנום התא המודבק. החדרה זו מתרחשת באופן אקראי למחצה (semi-random) מבחינת גנום התא המודבק. כלומר, עקרונית, לגנום הנגיפי פוטנציאל לחדור למקומות רבים בגנום התא המודבק. לפיכך, הגנום הנגיפי עשוי לחדור אל תוך גן תאי, או בסמוך לו. במידה והדבר אכן קורה, עצם הימצאותו של הגנום הנגיפי בתוך, או על יד, הגן התאי, עשויה להשפיע בצורה חזקה על ביטויו של הגן. אם גן זה מקודד לפרוטו-אונקוגן תאי, ואם החדרת הגנום הנגיפי הביאה לביטוי לא מבוקר (ביטוי ביתר) של פרוטו-אונקוגן זה, הרי שהדבר עלול לגרום להתמרת התא. התברר כי המצאות הפרו-וירוס באזור הפרוטו-אונקוגן עשויה לגרום לשעתוק ביתר של הפרוטו-אונקוגן, או להגברת היציבות של ה-mRNA של הפרוטו-אונקוגן. בכל המקרים הללו, התוצאה הסופית תהיה יצירה מוגברת וקבועה של mRNA זה ותרגומו לכמויות גדולות של חלבון הפרוטו-אונקגן (ודבר זה יקדם את התמרת התא). מספר מנגנונים תוארו להגברת שעתוק ה־mRNA, או הגברת יציבותו, של הפרוטו-אונקוגן על ידי גנום הנגיף הסמוך. המנגנונים כוללים, בין היתר: 1.החדרת פרומוטר (promoter insertion): גנום הפרו-וירוס שמוחדר לגנום התא מכיל אלמנט גנטי הקרוי קדם (promoter) האחראי לשעתוק הגנום הנגיפי. פרומוטר נגיפי זה הוא פרומוטר פעיל ביותר הגורם לשעתוק מוגבר של הגנום הנגיפי. אם חדירת הנגיף לגנום התא מביאה את הפרומוטר הנגיפי לתחילת גן הפרוטו-אונקוגן, הפרומוטר הנגיפי עלול לשמש כפרומוטר חזק גם לאותו פרוטו-אונקוגן. כך, יתרחש שעתוק מוגבר, קבוע, ולא מבוקר של הפרוטו-אונקוגן (בניגוד למצב נורמלי שבו שעתוק הפרוטו-אונקוגן מבוקר ביותר). דבר זה יקדם את התמרת התא. 2.החדרת אינהנסר (enhancer insertion): הפרומוטר הנגיפי מכיל גם מעצם (enhancer) חזק. אלמנט גנטי זה עשוי להגביר את השעתוק של גנים הסמוכים לו הן אם הוא מצוי בתחילת הגנים או בסופם, ואפילו אם הוא נמצא במרחק יחסית גדול מהם. בהתאם, ובניגוד למנגנון החדרת הפרומוטר, עצם החדרת הפרו-וירוס (המביא עמו את האינהנסר הנגיפי) במקומות המצויים בתחילת הפרוטו-אונקוגן, סופו, או אפילו במרחק רב ממנו, עלולה לגרום להגברה שאינה מבוקרת של שעתוק הפרוטו- אונקוגן. כמו במקרה הקודם, שיבוש זה יקדם את התמרת התא. 3.שינוי של אזורים המבקרים את יציבות ה־mRNA של הפרוטו-אונקוגן: כפי שצוין, ביטוי הפרוטו-אונקוגנים התאיים נמצא תחת בקרה הדוקה בתא. אחת מבקרות אלו כוללת הימצאותם של רצפים בפרוטו-אונקוגן המביאים לאי יציבות של ה-mRNA המשועתק ממנו. בקרה שכזו גורמת לפירוק מהיר של ה-mRNA ולירידה בכמותו וכמות החלבון הנוצר ממנו. אם הנגיף חדר לתוך רצפי אי-יציבות אלו, הרי שתפקודם עשוי להיפגע. במקרה שכזה, ה-mRNA של הפרוטו-אונקוגן שייווצר יהיה יציב יותר והדבר יגרום לתרגום מוגבר של הפרוטו-אונקוגן. כפי שצוין, גילוי ה-v-oncogenes קידם את זיהוי c-oncogenes שונים ורבים בגנום התאי. c-oncogenes אלו הם פרוטו-אונקוגנים תאיים. לאחר שאופיינו פרוטו-אונקוגנים אלו, ניתן היה לבדוק את פעילותם בגידולים סרטניים שונים שנוצרו ללא תלות בהדבקה של נגיף כזה או אחר. התברר כי בגידולים שכאלו (המהווים את עיקר הגידולים באדם), מוטציות שונות ב-c-oncogenes שונים – שהתרחשו ללא כל קשר לחדירת גנום נגיפי לתא – גרמו לביטוי ביתר של פרוטו-אונקגנים אלו והדבר דחף להתמרת התא. כך, חקר הרטרו-וירוסים הפשוטים גורמי הסרטן תרם לחקר הכללי של הסרטן בשני אופנים: האחד "קיטלוג" הפרוטו-אונקוגנים השונים; והשני, הנחת הבסיס המולקולרי להבנה שהפרעת הבקרה על ביטוי הפרוטו-אונקוגן עשויה להביא לביטויו ביתר ולהתמרת התא. טבלת דוגמאות של סוגי רטרו-וירוסים פשוטים, בעלי החיים העיקריים אותם הם מדביקים, וסוגי הסרטן שהם גורמים בהם: וירוס רטרו-וירוס מעיין אילון-אשכנזי, הנגיפים שמרכיבים אותנו, מכון דוידסון לחינוך מדעי A. Telesnitsky, S. P. Goff, Reverse Transcriptase and the Generation of Retroviral DNA, Cold Spring Harbor (NY): Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997, ISBN 978-0-87969-571-2 P. O. Brown, Integration, Cold Spring Harbor (NY): Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997, ISBN 978-0-87969-571-2 H. L. Robinson, Retroviruses and Cancer, Clinical Infectious Diseases 4, 1982-09-01, עמ' 1015–1025 doi: 10.1093/clinids/4.5.1015 John M. Coffin, Stephen H. Hughes, Harold E. Varmus, Oncogenesis, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997. (באנגלית) David H. Lynch, Oncogenes and Cancer, American Journal of Reproductive Immunology and Microbiology 15, 1987-09, עמ' 24–28 doi: 10.1111/j.1600-0897.1987.tb00145.x Naoyoshi Maeda, Hung Fan, Yasunobu Yoshikai, Oncogenesis by retroviruses: old and new paradigms, Reviews in Medical Virology 18, 2008-11, עמ' 387–405 doi: 10.1002/rmv.592 John M. Coffin, Stephen H. Hughes, Harold E. Varmus, Genetic Organization, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997. (באנגלית) Chial, H., Proto-oncogenes to oncogenes to cancer, Nature Education 1 (1): 33. Ciba Foundation Symposium 170 ‐ Regulation of the Eukaryotic Cell Cycle: Regulation of the Eukaryotic Cell Cycle: Ciba Foundation Symposium 170, 1, Wiley, 2007-09-28, Novartis Foundation Symposia, ISBN 978-0-471-93446-2. (באנגלית) Richard Mann, Richard C. Mulligan, David Baltimore, Construction of a retrovirus packaging mutant and its use to produce helper-free defective retrovirus, Cell 33, 1983-05, עמ' 153–159 doi: 10.1016/0092-8674(83)90344-6 Roel Nusse, The activation of cellular oncogenes by retroviral insertion, Trends in Genetics 2, 1986-01-01, עמ' 244–247 doi: 10.1016/0168-9525(86)90247-7 A. G. Uren, J. Kool, A. Berns, M. van Lohuizen, Retroviral insertional mutagenesis: past, present and future, Oncogene 24, 2005-11, עמ' 7656–7672 doi: 10.1038/sj.onc.1209043 M W Anderson, S H Reynolds, M You, R M Maronpot, Role of proto-oncogene activation in carcinogenesis., Environmental Health Perspectives 98, 1992-11, עמ' 13–24 doi: 10.1289/ehp.929813 C. Petropoulos, Retroviral Taxonomy, Protein Structures, Sequences, and Genetic Maps, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1997. (באנגלית)