חיפוש באתר
Generic filters
Exact matches only
Search in title
Search in content
Search in excerpt

TITIN, הטיטאן בחלבוני גופנו: כגודלו חשיבותו, חלק א`.

אהבתם? שתפו עם חבריכם

בן-עמי סלע, מנהל המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-השומר; החוג לגנטיקה מולקולארית וביוכימיה, הפאקולטה לרפואה סאקלר, אוניברסיטת תל-אביב


 


העולם על פי המיתולוגיה היוונית נוצר ונשלט על ידי הטיטאנים, ענקים דמויי-אלים שהשליטו סדר מתוהו ובוהו. ואולי זה הולם שהגדול בחלבוני גופנו שנחשף בשנים האחרונות- titin, כונה כך הן בשל גודלו, ואולי אף יותר כיוון שהוא מכוון ומסדר את פעולת הסארקומר-יחידת המבנה המתכווצת של השריר המשורטט, ואף מפקח על מנגנון הידחסות הכרומוסומים בתא המתחלק. 


 


בשנת 1977 בודד טיטין לראשונה משריר משורטט וכונה במקורconnectin .


התברר שמדובר בחלבון  ענק שאורכו 1.3 מיקרון, הבנוי כסיב שמשקלו המולקולארי כ-3 מיליון דלטון (!), המורכב מ-27 אלף חומצות אמיניות, ועל אף מימדיו מקודד חלבון זה על ידי גן בודד שמוקם על הזרוע הארוכה של כרומוסום 2 באדם.


במונחים ביוכימיים מקובלים, מדובר בחלבון כמעט בלתי-נתפס בגודלו, והסבת שמו בהמשך לטיטין, תאמה את מימדיו הטיטאניים. למרבה הפאראדוקס, היות טיטין סמוי במרוצת השנים נבעה דווקא מגודלו העצום: רוב   הטכניקות  הביוכימיות  המקובלות   להפרדת   חלבונים  כאלקטרופורזה   בג’ל  או כרומטוגרפיה בעמודות Sephadex, אינן  מותאמות  לנדידה  של  חלבון  כה  גדול  באופן  שיאפשר גילויו. טיטין מהווה כ-10% מכלל המסה של השריר המשורטט, והוא למעשה החלבון השלישי בכמותו בשריר לאחר אקטין ומיוזין, כך שאדם במשקל 80 ק”ג מכיל בגופו כחצי ק”ג של טיטין.


 


תכונות חלבון הטיטין ותפקודו בפעולת השריר:


שרירי השלד הרצוניים בעלי המופע המשורטט מורכבים מצרורות  (bundles) של סיבי שריר (muscle fibers) שקוטרם בין 20-100 מיקרון, וכל סיב כזה מורכב מצרורות של מאות אחדות של סיבוני שריר  (myofibrils) שקוטר כל אחד מהם 1-2 מיקרון.


התמונה הקלאסית  במיקרוסקופ אלקטרוני של סיב השריר המשורטט  נוצרת על ידי הימצאותם בסמיכות של איזור הנראה כהה במיקרוסקופ אור המוגדר כרצועת A ואיזור בהיר הידוע כרצועת I.


יחידת היסוד של סיב השריר -הסארקומר, אורכה בשריר הרפוי 2.5-3.0 מיקרון, אך היא מתקצרת משמעותית בהתכווצות השריר. הסארקומר מוגבל מלוא אורכו בין שני קווי Z כהים למראה שכל אחד מהם מצוי במרכז רצועת I.


כידוע, התכווצות שריר מביא להתקצרותו בערך ב-1/3 מאורכו המקורי, והעבודות הקלאסיות של Huxley משנות ה-50 הסבירו את כיווץ השריר על ידי החלקה זה-לצד-זה של שני סוגי סיבי השריר, הדק (בעיקרו אקטין) והעבה (מיוזין) (sliding-filament model). על פי מודל זה אורכם של סיבי האקטין והמיוזין אינו משתנה במהלך כיווץ השריר, אך לעומת זאת, הסארקומר מתקצר שהרי גדלה החפיפה בין הסיבים העבים והדקים המחליקים זה לצד זה.      


 


תנופה  רבה  להבנת  מבנה  מולקולת הטיטין על מרכיביה השונים המקנים לה קפיציות         

(springiness) ויכולת לשלוט בגמישות השריר,  באה לאחר פרסום הרצף המלא של חלבון זה ע”י Labeit ו-Kolmerer ב-1995.

בשל  גודלו העצום של ה-m-RNA   של  טיטין, נאלצו החוקרים להשתמש  בספריה של  c-DNA ממקור שריר הלב של אדם, ללמוד את הרצפים של למעלה מ-50 עותקים של c-DNA שיש חפיפה חלקית ביניהם, וכך הצליחו להשלים רצף מלא של 26,926 חומצות  אמיניות,  שנראה  מבצע  בלתי  אפשרי.


 


בהשלמת  לימוד  הרצף  של  טיטין נתגלו מספר ממצאים חסרי-תקדים בתחום הביוכימיה של חלבונים. נמצא שמולקולת הטיטין מורכבת מ-244 עותקים של שני רצפים (motifs) של חלבונים המוכרים היטב: האחד ידוע כ-FN3 או fibronectin type III והאחר כינויו Ig והוא מקטע במולקולה של  אימונוגלובולינים.


מתברר שטיטין מכיל 132 קטעי FN3 ו-112 קטעי Ig ובסך הכול כ-90% מכלל מולקולת הטיטין מורכבת מרצפים חוזרים של שני מקטעים חלבוניים השייכים אבולוציונית לשתי משפחות-על אחרות לחלוטין.


אך בטיטין קיים בנוסף איזור המהווה כ-10% מכלל המולקולה, שהוא ייחודי וחיוני ביותר לתפקוד חלבון ענק זה, ואיזור זה מכונה PEVK כסימון האותיות המבטאות את חומצות האמינו פרולין, חומצה גלוטמית, ואלין וליזין המהוות יחד כ-70% מאזור  PEVK והמחשבה היא שבאזור זה מתאפשרת מתיחת מולקולת ט’ בשעת התארכות השריר.


נראה שהמטען החשמלי השלילי של איזור PEVK מחליש את יציבותו ומאפשר לו פריסה (unfolding) ביתר קלות, וממילא מהווה את הבסיס הראשוני לגמישותה של רצועת I בשריר.


בהשוואת איזור PEVK במולקולות ט’ משריר הלב הנוקשה (stiff) לזה של שריר השלד נמצא הבדל משמעותי: בשריר הלב, PEVK מורכב מ-163 חומצות אמיניות, ואילו בשריר השלד שהוא הרבה יותר גמיש,  מורכב מקטע זה מלמעלה מ-2000 חומצות אמיניות, עובדה המתקשרת היטב לגמישות היתר של שריר השלד, בהיות המקטע ה”קפיצי” של טיטין ארוך יותר. 


 


בשנות ה-80 תוך שימוש בנוגדנים לטיטין ומיקרוסקופיה אלקטרונית, נמצא שחלבון זה הוא חלק אינטגראלי של סיבון השריר (myofibril).


נמצא שמולקולת טיטין יחידה אורכה כמחצית הסארקומר והיא נמשכת בין קו Z לקו M, מרחק שהוא מעט יותר מ-1 מיקרון. הקצה האמיני של ט’ מעוגן בקו Z והקצה הקרבוקסילי של חלבון זה משיק לקו M.


קו Z מסמן את הגבול בין שני סארקומרים, ואילו קו M נמצא במרכז רצועת A בלב הסארקומר. בין שני גבולות אלה חוצה מולקולת טיטין  את שני איזורי הסארקומר, רצועת I   שעיקרה נימים (filaments) דקים של אקטין ורצועת  A  בה  חופפים  נימים של  אקטין עם סיבים עבים של מיוזין, פרט לאזור H במרכז רצועת  A המכיל רק סיבי מיוזין עבים.


בכך מהוה ט’ מערכת סיבית שלישית במבנה הסארקומר. מוליקולת טיטין נראית כמוט ארוך המורכב ממחרוזת של תת-יחידות גלובולריות שהן למעשה יחידות דמויות ה-FN3 ו-Ig החוזרות על עצמן לעתים ברצף (tandem) או לסירוגין.


ברצועת A יחידות מבנה אלו של טיטין מאורגנות בתבנית קשיחה מה שמסייע לארגון מבנה הסיבים העבים האופייניים לרצועת A על ידי יצירת אתרי קישור של ט’ לחלבונים אחרים ברצועת A כמו meromyosin וכן C protein. תאחיזה הדוקה זו בין טיטין וחלבוני הסיבים העבים של רצועת  A, גורמת לכך שחלק המולקולה של טיטין ברצועת A הוא נוקשה, ומשמש מעין “סרגל” המיישר את סיב המיוזין, החיוני לשמר את מיקומו של רצועת A במרכז הסארקומר בשעת כיווץ השריר. 


נציין בהקשר זה, שמולקולה בודדה של חלבון ענק אחר שהתגלה לאחרונה, nebulin, חולפת בדרך דומה את סיבי אקטין הדקים, ומסייעת ליישורם כ”סרגל”. בהשוואה לרצועת A, חלקה של מוליקולת טיטין המצוי בתחום רצועת I   של הסארקומר הוא גמיש. פרוק חלבון טיטין על ידי אנזימי פרוטאזות, מביא להחלשת קשיחותו של סיבון השריר (myofibril) ואכן מייחסים לטיטין חשיבות בקביעת המתח

(tension) של שריר ברגיעה (relaxation).  

 


היבטים פתולוגיים של טיטין:


גודלו העצום של טיטין והחיוניות שלו  למבנה השריר ותפקודו, העלו את האפשרות שפגם בחלבון זה קשור  למחלות שריר גנטיות מולדות. אלא שעד כה לא נכרך טיטין באופן  מובהק  למפגעי שריר  כדוגמת  חסר  dystrophin בדיסטרופיה ע”ש Duchenne.


ייתכן שבדומה לרוב המוטציות התפקודיות הפוגעות ביצירת הסארקומר וסיב השריר, חומרת הפגיעה מביאה למות העובר טרם לידתו. יחד עם זאת ייתכן שכיון שרוב המוטציות הן נקודתיות או מביאות לשמט (deletion) של מספר  מצומצם של חומצות אמיניות, הפגיעה המבנית בחלבון ענק כטיטין תהיה יחסית קטנה, ולא תשפיע כלל על תפקודו. יחד עם זאת התפרסמו לאחרונה מספר ראיות המייחסות לטיטין קשר תפקודי במחלות שריר אחדות.


 


בחינה של חלבונים המצויים בביופסיות  שריר  נורמאלי ופתולוגי, גילתה ט’  פגום  במחלת  DMD  וכן ב-FCMD או Fukuyama-type congenital muscular dystrophy.  מבחינה מנגנונית מעניין הממצא שמחלת limb-girdle muscular dystrophy type 2A נגרמת על ידי מוטציה בפרוטאזה p94 ממשפחת ה-calpain  הסגולית לרקמת שריר. ואמנם במרכז מולקולת הטיטין באזור רצועת I של הסארקומר יש שני אתרים ייחודיים בהם חותכת פרוטאזת p94 את החלבון, ליצירת תוצר ביקוע הידוע כ-T2-titin.


קבוצת המחקר היפאנית שגילתה לראשונה את טיטין בשנת 1977, מעלה את ההשערה שדיסטרופיות השריר למיניהן כגון DMD, FCMD ו-LGMD-2A, שותפות בכך שיש בהן פגיעה במנגנון הפיקוח של האנזים p94, וממילא לשבירות יתר של החלבון ט’ ולנזק הנגרם בשריר. 


 


מצב פתולוגי נוסף שעלול להיות מושפע מפגם במבנה טיטין הוא hypertrophic cardiomyopathy  HCM)). פגם קרדיאלי המאופיין על ידי שגשוג חדרים שבבסיסו רפיון של סיבי שריר.

כיוון שבחינה מולקולארית גילתה שב- HCM יש מוטציות לפחות ב-8 גנים שונים, שכל אחד מהם מקודד לחלבונים בסארקומר של שריר הלב, בחנו Satoh וחב’ ומצאו יצירה וביטוי מופחת של חלבון טיטין לעומת התבטאות יתר בתאי שריר הלב של החלבון desmin ו-microtubules מה שגורם להתארכות ה-myocyte ושיבוש פעולתו.

ראוי לציין שבמחלת HCM משפחתית עם התפרצות בגיל הצעיר, מופה הגן הפגום לכרומוסום 2q13 שהוא גם מיקומו של הגן לחלבון טיטין. באחד מהחולים עם HCM נתגלתה בחלבון טיטין מוטציה בקודון 740 שהביאה לשחלוף ארגינין בלאוצין מה שמגביר את הזיקה של טיטין לחלבון  actininα.


 


נמשיך ונדון בגדול שבחלבוני גופנו במאמר ההמשך.


 


בברכה, פרופ’ בן-עמי סלע

אהבתם? שתפו עם חבריכם

ראיתם משהו בכתבה שמעניין אתכם, רוצים מידע נוסף? רשמו את המייל שלכם כאן למטה או שלחו אלינו פנייה - לחצו כאן לפנייה

    בעצם פנייתך והרשמתך אלינו אתה מאשר בזאת כי אתה מסכים למדיניות הפרטיות שלנו ואתה מסכים לקבל מאיתנו דברי דואר כולל שיווק ופרסום. תמיד תוכל להסיר את עצמך מרשימת הדיוור או ע"י פנייה אלינו או ע"י על לחיצה על הקישור הסרה מרשימת הדיוור אשר נמצא בתחתית כל מייל שיישלח אליך. למדיניות פרטיות לחץ כאן. אם אינך מסכים אנא אל תירשם אלינו, תודה.

    INULIN

    בריאים לחיים המפתח
    ,ימים ולאריכות יותר
    ,לכולם ממליץ FDA
    ויצמן במכון חוקרים
    ...ממליצים העולם וברחבי בטכניון

    לפרטים נוספים