Ахіллове сухожилля вбивці - Universit; t Гейдельберг
Спляча хвороба - підступна хвороба, яка вражає людей і тварин у значній частині Африки та Південної Америки - спричинена крихітним паразитом, який передається мухою цеце. В організмі своїх жертв паразит проникає в мозок і викликає типові симптоми, що дають хвороби назву. На сьогоднішній день немає вакцини і мало ефективних препаратів. Крістін Клейтон з Центру молекулярної біології Гейдельберзького університету (ZMBH) описує, як основні дослідники розуміють біологію паразита. Чим краще ви його пізнаєте, тим ближче ви наближаєтесь до своєї мети: ви хочете знайти "ахіллове сухожилля" злісного вбивці, який дотепер спричинив своїм жертвам майже неминучу повільну смерть.
Хворі перестають їсти, вони різко худнуть і неодноразово засинають, як анестетик. Своєрідна сонливість є характерною ознакою хвороби, яка спустошила значні частини Африки, особливо на початку 20 століття, і була названа "сонною хворобою" за її класичним симптомом. Навіть сьогодні люди та тварини в Африці та Південній Америці уражені переважно смертельною інфекційною хворобою. Хвороба викликається дрібним паразитом, який називається трипаносома, який передається мухами цеце. Якщо паразит потрапляє в кров і розмножується там, хвороба спочатку стає помітною з нападами лихоманки. Пізніше, в хонічній фазі, під час якої паразити вторгаються в мозок, виникає класичний симптом стійкої сонливості.
В даний час існує лише декілька препаратів, здатних вилікувати ранні стадії сонної хвороби. Лише один препарат - меларсопрол, що містить миш’як - все ще може атакувати паразита, заразивши мозок. Другий препарат, який може бути ефективним на стадії мозку, є надто дорогим для населення, яке постраждало від цієї хвороби. Майже всі ліки, особливо меларсопрол, дуже токсичні. Тим часом також доведено стійкість, а це означає, що паразиту вдалося протистояти дії ліків. Усі спроби розробити вакцини проти сонної хвороби - "трипаносомоз" - досі не мали успіху. Тому терміново необхідно розробити нові стратегії, що ведуть до більш ефективних терапевтичних заходів проти підступного збудника.
Африканські трипаносоми належать до сімейства паразитів, які також викликають інші тропічні хвороби. Поширеність африканського трипаносомозу та пов’язаного з ним американського трипаносомозу (так звана хвороба Шагаса) та лейшманіозу велика; Наприклад, у кількох селах Судану та Анголи майже кожен другий житель заражений трипаносомами. Без медичної допомоги люди здебільшого приречені на повільну смерть.
Ліки проти патогенних мікроорганізмів - будь то віруси, бактерії чи паразити - завжди використовують відмінності, що існують між патогенами та їх «господарем» (людиною чи твариною). Це порівняно легко з бактеріями, оскільки вони багато в чому відрізняються від господаря. Однак трипаносоми - це "еукаріоти", що означає, що їх основна структура схожа на клітини людини. Генетичний матеріал (ДНК) паразита, наприклад, подібний до матеріалу клітин людини, укладений мембраною (клітинним ядром); багато клітинних процесів у трипаносомах майже ідентичні процесам у клітинах людини. Для того, щоб мати змогу розробляти більш ефективні препарати, ми повинні точно визначити відмінності між клітинами трипаносоми та клітинами людини, а потім спробувати спеціально пригнітити певні функції паразита. Тому в нашій лабораторії в Гейдельберзі ми інтенсивно шукаємо власні характеристики паразита, якими володіють усі трипаносоми та лейшмані, але не клітини людини. Ми сподіваємось визначити нові цілі, на які можуть ефективно спрямовуватись наркотики (хіміотерапевтичні засоби).
Як ви знаходите такі специфічні для паразитів терапевтично вразливі цілі? Ділянка навколо трипаносоми в крові багата поживними речовинами і сприяє її розмноженню, але це далеко не нешкідливо для паразита. Небезпека походить від імунної системи. Оскільки трипаносоми вільно плавають і розподіляються по тілу, вони часто стикаються з клітинами імунної системи. Приблизно через тиждень після зараження господар фактично мобілізував достатньо "оборонних військ" проти паразита, що вторгся. Однак трипаносома розробила систему, за допомогою якої їй вдається вирватися з імунних клітин і механізмів: паразит швидко змінює свою зовнішню «білкову оболонку» в процесі свого розмноження, завдяки чому створюється зовсім інша поверхня. Мобілізовані клітини імунної системи більше не впізнають цю нову «оболонку». Оскільки паразити здатні одягатися приблизно в 1000 різних шарів (= поверхневі білки), а генетичні зміни паразита спричиняють подальші фундаментальні зміни, імунна система не може нічого проти загрози. Тому хвороба завжди летальна без хіміотерапії.
Розумні генні перемикачі
Постійна зміна поверхневої мантії дозволяє трипаносомам використовувати своє багате поживними речовинами середовище «безперешкодно». Рідина крові містить кисень, різні життєві блоки, але перш за все багато глюкози. Щоб енергія всередині клітини була придатною для використання, вона повинна зберігатися в певних хімічних формах; найважливішою «енергетичною валютою» клітини є АТФ (аденозинтрифосфат). Деяким клітинам людини вдається виробляти близько 20 молекул АТФ з однієї молекули глюкози. З іншого боку, трипаносоми в крові отримують лише дві молекули АТФ на молекулу глюкози. І тут є важлива різниця між паразитом та його господарем: ферменти, що викликають це хімічне перетворення глюкози в АТФ, організовані та контролюються у трипаносомах та їхніх родичах зовсім інакше, ніж у інших живих істот. Ця характеристика паразитів є одним з наших найважливіших дослідницьких проектів.
Енергія генерується різними ферментами, які упаковані в невеликі простори (відсіки) всередині клітини. Ферментний ланцюг трипаносом дуже простий. Тому біохіміки та математики з Бельгії та Нідерландів змогли змоделювати весь ферментативний процес за допомогою комп’ютерної моделі. Ми працюємо з цими колегами, щоб перевірити математичні моделі за допомогою генетики.
Для цих обстежень ми використовуємо спеціальну генетичну процедуру, яку ми розробили спеціально для цієї мети. Це дозволяє нам включати і вимикати гени, щоб визначити їх функцію. Результати повинні допомогти визначити ферменти, які відіграють особливо важливу роль у контролі швидкості розпаду глюкози. Ці ферменти могли б стати потенційною мішенню для нової лікарської терапії трипаносомозу.
Як і майже всі еукаріотичні клітини, кожна з трипаносом має дві копії свого генетичного складу. Ми міняємо трипаносоми так, щоб вони містили лише одну копію певного гена. Ця одна копія змінюється за допомогою нашого процесу таким чином, що ген залишається повністю "вимкненим" за відсутності класичного антибіотика (тетрацикліну). Однак, якщо ви додаєте невелику кількість тетрацикліну, регуляторний перемикач може бути активований трохи, і ген трохи прочитаний. Ген може бути повністю активований за допомогою більшої кількості тетрацикліну. Особливою перевагою цього методу є те, що ми можемо визначити функцію певних генних продуктів (= певних білків) паразита у досліджуваних тварин (мишей): Тварини спочатку інфікуються генетично модифікованими трипаносомами, а потім тетрациклін вводять з питною водою для активації генного перемикача, як описано, для активації та визначення функції гена.
Помітні відходи
Інша специфічна для паразитів особливість стосується "поводження", яке трипаносоми підтримують з білками, що виробляються відповідно до вказівок їх генів. Оскільки трипаносоми повинні адаптуватися до багатьох змінних умов навколишнього середовища в організмі свого господаря, вони також повинні синтезувати багато нових білків, тоді як інші - білки, важливі в іншому середовищі - більше не потрібні. Щоб впоратися з цими умовами, паразити розробили особливо марнотратну систему. Майже у всіх організмах на землі - як у людей, так і в бактеріях - гени, продукти яких більше не потрібні, вимикаються. Тільки коли відповідний генний продукт знову потрібен, ген знову включається.
Із трипаносомами не так. Вони синтезують всю свою РНК одночасно, а потім викидають те, що їм більше не потрібно. Наче шеф-кухар у ресторані щодня готує всі страви, які є в меню, в один і той же час, а потім просто викидає замовлені страви. Ці відходи РНК також є суттєвою різницею між паразитом і клітиною хазяїна, яку ми намагаємося зрозуміти в лабораторії.
Білки - це ланцюги, що складаються з 20 різних будівельних блоків - амінокислот. Довжина ланцюга та його склад певних амінокислот визначають властивості білка. Гени, що визначають структуру білків певних амінокислот, складаються з чотирьох різних нуклеотидів, які позначені буквами A, G, C і T. Різні комбінації трьох з цих нуклеотидів, такі як AGC або AGT, кодують по одній амінокислоті кожен. Таким чином, щоб білок міг бути зібраний з амінокислот, гени, що відповідають за нього, копіюються в те, що відоме як "РНК-повідомлення". РНК месенджера має ту перевагу, що вона може вийти з ядра через спеціалізовані пори. Поза клітинним ядром, у клітинній плазмі, він використовується для збирання білків із визначеною послідовністю амінокислот.
Якщо наш уявний шеф-кухар постійно наповнює свій фуршет повними, але невпорядкованими тарілками, попит дуже залежить від кількості зацікавлених клієнтів та їхнього голоду. Подібна ситуація і з кількістю РНК у клітині. Хоча кількість РНК-месенджера, як правило, залежить від швидкості, з якою вона виробляється, її розпад також може мати важливе значення для кількості РНК, присутньої в клітині - і тому, як і продукція, повинен контролюватися. Для людини цей регульований розпад РНК особливо важливий для того, щоб тримати під контролем ріст клітин: багато молекул РНК, що кодують білки, що регулюють ріст, дуже нестабільні і лише короткочасні. Але якщо вони стануть довгожителями через відсутність контролю, може розвинутися ракова клітина.
Ми та інші колеги-дослідники інтенсивно вивчали контроль експресії генів (зчитування та подальший переклад закодованої інформації про білок, що міститься в гені) у трипаносомах. Ми виявили, що багато генів копіюються один за одним у довгі молекули РНК і лише потім розрізаються на окремі компоненти. Тільки після цього процесу у трипаносом молекули РНК схожі на молекули інших ядерних клітин. Кількість РНК, що міститься в клітині, може бути визначена в трипаносомах лише за допомогою регульованого розщеплення - продукція не підлягає ніякому контролю.
Початок РНК-месенджера зазвичай модифікується таким чином (захисна = захисна модифікація), щоб вона тривалий час витримувала деградацію ферментами, що відповідають за неї. На своєму протилежному кінці молекули РНК ядерних клітин завжди мають характерний «хвіст», який складається приблизно з 200 повторень основи «А». Більшість молекул РНК-месенджера атакується певним ферментом на цьому "А-хвості". Тільки коли А-хвіст дуже короткий, початок РНК атакується ферментами і перетравлюється. Інший специфічний фермент спочатку видаляє захисну модифікацію на початку молекули, після чого РНК стає доступною для подальшого ферментативного розкладання і дуже швидко повністю руйнується. Для того, щоб тривалість життя такої РНК-месенджера була керованою таким чином, послідовність всієї РНК спочатку повинна бути розпізнана за допомогою конкретного білка. Потім такі білки стимулюють або інгібують ті ферменти, які викликають перший етап розчинення і, згодом, послідовний розпад А-хвоста.
Друга стратегія деградації починається з атаки посередині молекули РНК-месенджера. Специфічний фермент розпізнає РНК і розщеплює її навпіл, після чого відбувається перетравлення молекули з обох кінців. Другий білок контролює цей шлях деградації: він розпізнає місце розщеплення, зв’язується з ним і захищає РНК від деградації ферментами.
Наразі наша робота з трипаносомами є суто базовим дослідженням. Ми сподіваємось, що розроблені нами методи для розуміння складної біології трипаносом та отриманих з ними результатів допоможуть успішніше боротися з тропічною хворобою сну, а також лейшманіозом та хворобою Шагаса в майбутньому.