חוקרים מארצות הברית הצליחו לראשונה לעשות שינויים בחומר התורשתי של המבנים האחראים על הפקת האנרגיה בתאי אדם

בתוך תאינו נמצאים מאות ואלפי מפעלים קטנים, העסוקים ללא הרף ביצור האנרגיה הדרושה לפעילות התא. אלו הם המיטוכונדריה, מבנים תוך תאיים שבהם מפורק הסוכר המגיע מהמזון. כמו בגרעין התא, גם במיטוכונדריה יש DNA, אבל מסוג שונה מאוד. ה-DNA בגרעין התא נמצא מולקולה קווית, כלומר בעלת שני  קצוות, הנקראת כרומוזום. היא מלופפת סביב עצמה בצורה דחוסה, יחד עם חלבונים המחזיקים אותה בצורה זו. ה-DNA המיטוכונדרי הוא מעגלי, ומזכיר בכך את החומר הגנטי שיש לחיידקים – רמז לכך שהמקור האבולוציוני של המיטוכונדריה הוא כנראה חיידק שנטמע בתוך תא גדול יותר.

מעבר לזה, ה-DNA המיטוכונדרי הרבה יותר קטן. כמה קטן? בעוד שהחומר הגנטי הגרעיני בתאים אנושיים מונה כ-3.1 מיליארד בסיסים – אבני הבניין של ה-DNA – ב-23 כרומוזומים, וברוב התאים שלנו יש שני עותקים שלו, הגנום המיטוכונדרי מורכב ממולקולה אחת באורך של 16,569 בסיסים, עם 15-1 עותקים שלה בכל מיטוכונדריון. המבנה הזה מקשה על מדענים לעשות שינויים בקוד הגנטי המיטוכונדרי, כדי ללמוד עליו ולתקן בו פגמים.

 תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של מיטוכונדריון בתא לב | SPL, Dennis Kunkel Microscopy
בתוך כל תא נמצאים מפעלים קטנים המייצרים אנרגיה. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של מיטוכונדריון בתא לב | SPL, Dennis Kunkel Microscopy

הגודל לא קובע

ה-DNA המיטוכונדרי חיוני לתפקוד התקין של הגוף האנושי, ובעשורים האחרונים קושרו מחלות רבות לפגמים בו. מוטציות מזיקות בגנים של המיטוכונדריה עוברים בתורשה כמו מוטציות ב-DNA הגרעיני, אך מכיוון שאנחנו מקבלים את המיטוכונדריה שלנו כמעט רק מהאם, גם המחלות המיטוכונדריאליות עוברות מהאם לילדיה ולא מהאב. אחד האתגרים הגדולים שעומדים בפני חוקרים הוא חוסר היכולת לערוך את הקוד הגנטי של המיטוכונדריה, כלומר לשנות, להכניס או להוציא גֵנים. נכון להיום, כשרוצים למנוע מילדים לפתח מחלות תורשתיות שמקורן במיטוכונדריה, חייבים להשתמש בתרומה של מיטוכונדריה מ"הורה שלישי"

כבר כמה שנים אנחנו יודעים לערוך גנטית את ה-DNA בגרעין התא. לשם כך משתמשים בחלבון שיודע לחתוך DNA ובמולקולה שמובילה את החלבון אל הרצף הספציפי שרוצים לחתוך. אולם שני קשיים עיקריים מפריעים לעשות תהליך דומה של עריכה גם ב-DNA המיטוכונדרי. ראשית, הגישה לתוך המיטוכונדריה מוגבלת והמולקולה שמדריכה את החלבון לא יכולה לחדור לשם. בנוסף, החומר הגנטי המיטוכונדרי פגיע יותר מה-DNA הגרעיני, וחיתוך שלו יכול לגרום לו להתפרק לחלוטין. היכולת לערוך באופן מכוון ומדויק את ה-DNA הגרעיני פתחה דלתות רבות בפני חוקרים של מחלות גנטיות, אך הן נותרו סגורות בפני חוקרי המיטוכונדריה - עד עכשיו.

במחקר שהתפרסם בכתב העת Nature תיארו חוקרים מארצות הברית מערכת חדשה לעריכה גנטית שאפשר ליישם לעריכת DNA מיטוכונדרי. המערכת מבוססת על חלבון שנקרא "עורך בסיסים", שיכול לשנות את היחידות שהקוד הגנטי מורכב מהן בלי לחתוך את מולקולת ה-DNA. החלבון הזה רעיל לתאי אדם כשמחדירים אותו לתוכם בצורה לא מבוקרת, אבל החוקרים הצליחו לפרק אותו לשני חלקים נפרדים שפעילים רק כשמצמידים אותם יחד. לשני אלה חיברו החוקרים חלבונים אחרים שיכולים להוביל אותם לאתר העריכה ב-DNA המיטוכונדרי. תוצאות המחקר מראות שבתנאים מתאימים המערכת מצליחה לערוך את הרצף הגנטי במיטוכונדריה של תא אדם בערך באחד מכל שני ניסיונות.

בשלב הראשון תאפשר המערכת לחקור את ה-DNA המיטכונדרי וכך להעמיק משמעותית את הידע הקיים עליו ועל תפקודו במצבים תקינים ובמצבים מחלה גם יחד. התקווה היא שבעתיד היא תוכל גם לתקן פגמים ב-DNA המיטוכונדרי של בני אדם, אך מכיוון שיש עותקים רבים שלו בכל תא בגוף, הדרך לשם עוד ארוכה. עם זאת, להלכה אפשר יהיה להשתמש במערכת כדי לתקן פגמים גנטיים במיטוכונדריה בשלבים הראשוניים של התפתחות העובר, כשמספר התאים עדיין קטן מאוד, וכך למנוע את מחלות תורשתיות קשות.