Ахилова тетива на убиец - Университ; т Хајделберг
Болеста за спиење - подмолно заболување што ги мачи луѓето и животните во големи делови на Африка и Јужна Америка - е предизвикана од мал паразит пренесен од мувата цеце. Во телото на неговите жртви, паразитот продира во мозокот и предизвикува типични симптоми што му даваат име на болеста. До денес нема вакцина и малку ефективни лекови. Кристин Клејтон од Центарот за молекуларна биологија на Универзитетот во Хајделберг (ЗМБХ) опишува како основните истражувачи продолжуваат да ја разбираат биологијата на паразитот. Колку подобро го запознавате, толку поблиску сте до својата цел: Сакате да ја пронајдете „Ахиловата тетива“ на малициозниот убиец кој досега им предизвикуваше на своите жртви речиси неизбежна, бавна смрт.
Болните престануваат да јадат, драматично губат телесната тежина и постојано паѓаат во сон сличен на анестетик. Особената дремливост е карактеристичен знак на болест што опустоши големи делови на Африка, особено на почетокот на 20 век, и беше именувана како „болест на спиење“ според неговиот класичен симптом. Дури и денес луѓето и животните во Африка и Јужна Америка страдаат од најфатална заразна болест. Болеста е предизвикана од мал паразит наречен трипанозом, кој се пренесува од мушички цецеви. Ако паразитот влезе во крвта и се размножува таму, болеста се чувствува за прв пат со напади на треска. Подоцна, во хоничната фаза, за време на која паразитите го напаѓаат мозокот, се јавува класичен симптом на постојана поспаност.
Во моментов има само неколку лекови кои можат да ги излечат раните фази на болест на спиење. Само еден лек - меларсопрол, кој содржи арсен - сè уште може да го нападне паразитот откако ќе го зарази мозокот. Втор лек што може да биде ефикасен во мозочната фаза е премногу скап за популацијата погодена од болеста. Речиси сите лекови, особено меларсопролот, се многу токсични. Отпорност е докажана и во меѓувреме, што значи дека паразитот успеал да се спротивстави на ефектите на лековите. Сите обиди за развој на вакцини против болест на спиење - „трипанозомијаза“ - досега беа неуспешни. Затоа е итно неопходно да се развијат нови стратегии кои доведуваат до поефикасни терапевтски мерки против подмолниот патоген.
Африканските трипанозоми припаѓаат на семејство на паразити кои предизвикуваат и други тропски болести. Преваленцата на африканската трипанозомијаза и поврзаната американска трипанозомијаза (т.н. болест на Чагас) и лајшманиозата е голема; Во неколку села во Судан и Ангола, на пример, скоро секој втор жител е заразен со трипанозоми. Без медицинска нега, луѓето главно се осудени на бавна смрт.
Лековите против патогени - без оглед дали се вируси, бактерии или паразити - секогаш ги користат разликите што постојат помеѓу патогените микроорганизми и нивниот „домаќин“ (луѓе или животни). Ова е релативно лесно со бактериите, бидејќи тие се разликуваат од нивниот домаќин на многу начини. Трипанозомите, сепак, се „еукариоти“, што значи дека нивната основна структура е слична на човечките клетки. Генетскиот материјал (ДНК) на паразитот е, на пример, како оној на човечките клетки, затворен со мембрана (клеточното јадро); многу клеточни процеси во трипанозомите се скоро идентични со оние во човечките клетки. За да можеме да развиеме поефикасни лекови, треба прецизно да ги идентификуваме разликите помеѓу клетките на трипанозомот и човечките клетки, а потоа да се обидеме специфично да ги инхибираме специфичните функции на паразитот. Во нашата лабораторија во Хајделберг, затоа интензивно ги бараме особеностите на самиот паразит, кои ги имаат сите трипанозоми и лајшмани - но не и човечки клетки. Се надеваме дека ќе идентификуваме нови цели што лековите (хемотерапевтски агенси) можат ефикасно да ги насочат.
Како наоѓате такви специфични за паразити, терапевтски ранливи цели? Областа околу трипанозомот во крвта е богата со хранливи материи и погодна за нејзино размножување - но во никој случај не е безопасна за паразитот. Опасноста доаѓа од имунолошкиот систем. Бидејќи трипанозомите пливаат наоколу слободно и се дистрибуираат низ целото тело, тие често се среќаваат со клетки на имунолошкиот систем. Околу една недела по инфекцијата, домаќинот всушност мобилизирал доволно „одбранбени трупи“ против инвазивниот паразит. Трипаносома, сепак, разви систем со кој успева да избега од имуните клетки и механизми: паразитот брзо ја менува својата надворешна „протеинска обвивка“ во текот на својата репродукција, така што ќе се создаде сосема друга површина. Мобилизираните клетки на имунолошкиот систем повеќе не го препознаваат овој нов „капут“. Бидејќи паразитите се во можност да се облекуваат во околу 1000 различни слоеви (= површински протеини) и генетските промени во паразитот предизвикуваат понатамошни фундаментални промени, имунолошкиот систем не може да стори ништо против заканата. Затоа, болеста е секогаш фатална без хемотерапија.
Паметни генски прекинувачи
Постојаната варијација на нивната површинска мантија им овозможува на трипанозомите да ја користат „непречено“ нивната околина богата со хранливи материи. Крвната течност содржи кислород, разни градежни блокови на животот, но пред се многу гликоза. За да може енергијата во ќелијата да биде употреблива, таа мора да се чува во одредени хемиски форми; најважната „енергетска валута“ на клетката е АТП (аденозин три-фосфат). Некои човечки клетки успеваат да направат околу 20 молекули на АТП од една молекула на глукоза. Трипанозомите во крвта, од друга страна, добиваат само две АТП молекули на молекула на глукоза. И тука е важна разлика помеѓу паразитот и неговиот домаќин: ензимите кои ја доведуваат оваа хемиска конверзија на глукозата во АТП се организирани и контролирани сосема поинаку кај трипанозомите и нивните роднини отколку кај другите живи суштества. Оваа карактеристика на паразитите е еден од нашите најважни истражувачки проекти.
Енергијата се генерира од различни ензими, сите спакувани во мали простори (оддели) во рамките на ќелијата. Ензимскиот ланец на трипанозомите е многу едноставен. Биохемичарите и математичарите од Белгија и Холандија беа во можност да го симулираат целиот ензимски процес со компјутерски модел. Работиме со овие колеги за да ги провериме математичките модели користејќи генетика.
За овие прегледи користиме посебна генетска процедура што ја развивме специјално за оваа намена. Тоа ни овозможува да ги вклучуваме и исклучуваме гените за да ја одредиме нивната функција. Резултатите треба да помогнат во идентификување на ензими кои играат особено важна улога во контролирањето на стапката со распаѓање на гликозата. Овие ензими би биле потенцијална цел за нова терапија со лекови за трипанозомијаза.
Како и скоро сите еукариотски клетки, трипанозомите имаат по две копии од својот генетски состав. Ние ги менуваме трипанозомите така што тие содржат само една копија на одреден ген. Оваа единствена копија се менува со нашиот процес на таков начин што генот останува целосно „исклучен“ во отсуство на класичен антибиотик (тетрациклин). Меѓутоа, ако додадете мали количини на тетрациклин, регулаторниот прекинувач може малку да се активира и генот да прочита малку. Со поголеми количини на тетрациклин, може да се активира генот целосно. Посебна предност на овој метод е тоа што можеме да ја утврдиме функцијата на одредени генски производи (= одредени протеини) на паразитот кај испитаните животни (глувци): Theивотните најпрво се заразуваат со генетски модифицирани трипанозоми, а потоа со вода за пиење се администрира тетрациклин за да се активира генскиот прекинувач, како што е опишано, да се активира и да се утврди функцијата на генот.
Забележлив отпад
Друга посебност специфична за паразитот се однесува на „ракувањето“ што трипанозомите го одржуваат со протеините што се произведуваат според упатствата на нивните гени. Бидејќи трипанозомите треба да се прилагодат на многу променети услови на животната средина во организмот на нивниот домаќин, тие исто така треба да синтетизираат многу нови протеини, додека други - протеини кои се важни во различна средина - повеќе не се потребни. За да се справат со овие состојби, паразитите развија особено расипнички систем. Во скоро сите организми на земјата - и луѓето и бактериите - гените чии производи веќе не се потребни се исклучени. Само кога соодветниот ген производ е повторно потребен, генот е повторно вклучен.
Не така со трипанозомите. Тие истовремено ја синтетизираат целата своја РНК, а потоа го фрлаат она што повеќе не им треба. Изгледа како готвач во ресторанот да ги подготвува сите јадења што се на менито во исто време секој ден и потоа едноставно да ги фрла садовите што не се порачуваат. Овој отпад од РНК е исто така значителна разлика помеѓу паразитот и клетката домаќин што се обидуваме да ја разбереме во лабораторијата.
Протеините се синџири кои се состојат од 20 различни градежни блокови, аминокиселините. Должината на ланецот и неговиот состав на одредени аминокиселини ги одредуваат својствата на протеинот. Гените кои ја одредуваат структурата на протеините од одредени аминокиселини се состојат од четири различни нуклеотиди, кои се означени со буквите А, Г, Ц и Т. Различни комбинации на три од овие нуклеотиди, како што се AGC или AGT, кодираат по една аминокиселина. Така што протеинот може да се состави од аминокиселините, гените одговорни за него се копираат во она што е познато како „гласник РНК“. Гласникот РНК има предност што може да го напушти јадрото преку специјализирани пори. Надвор од клеточното јадро, во клеточната плазма, се користи за собирање протеини со дефинирана низа аминокиселини.
Ако нашиот имагинарен готвач постојано го полни својот шведски билет со полни, но нередени плочи, побарувачката е во голема мера зависна од бројот на заинтересирани клиенти и нивниот глад. Слична е состојбата и со количината на РНК во клетката. Иако количината на гласник РНК зависи од брзината со која се произведува, неговото распаѓање може да биде важно и за количината на РНК присутна во ќелијата - и затоа, како и производството, мора да се контролира. Кај луѓето, ова регулирано распаѓање на РНК е особено важно со цел да се одржи растот на клетките под контрола: многу РНК молекули кои кодираат протеини кои го регулираат растот се многу нестабилни и имаат само краткотрајност. Но, ако станат долготрајни поради недостаток на контрола, може да се развие клетка на рак.
Ние и другите колеги од истражувањето интензивно ја проучувавме контролата на изразување на гени (читање и последователен превод на - кодирани - информации за протеин содржан во генот) во трипанозомите. Откривме дека многу гени се копираат еден по друг во долги РНК молекули и само тогаш се сечат на одделни компоненти. Само по овој процес, трипанозомите имаат РНК молекули слични на другите нуклеирани клетки. Количината на РНК содржана во клетката може да се одреди само во трипанозомите преку регулирано распаѓање - производството не подлежи на никаква контрола.
Почетокот на гласник РНК обично се модифицира на таков начин (заштитна = заштитна модификација) што издржува на деградација од страна на ензимите одговорни за тоа подолго време. На нивниот спротивен крај, молекулите на РНК на нуклеарните клетки секогаш имаат карактеристична „опашка“, која се состои од приближно 200 повторувања на основата „А“. Повеќето од молекулите на гласникот РНК се нападнати од специфичен ензим на оваа „А-опашка“. Само кога опашката А е многу кратка, почетокот на РНК е нападнат од ензими и се вари. Друг специфичен ензим прво ја отстранува заштитната модификација на почетокот на молекулата, при што РНК е достапен за понатамошна ензимска деградација и многу брзо целосно уништен. За да може да се контролира животниот век на таквата порака на РНК, редоследот на целата РНК прво мора да се препознае од специфичен протеин. Таквите протеини потоа ги стимулираат или инхибираат оние ензими кои го предизвикуваат првиот чекор на растворање и, последователно, последователното распаѓање на А-опашката.
Втора стратегија на деградација започнува со напад во средината на гласникот РНК молекула. Специфичен ензим ја препознава РНК и ја дели на половина, што е проследено со варење на молекулата од двата краја. Втор протеин го контролира овој пат на деградација: го препознава местото на расцепување, се врзува за него и со тоа ја штити РНК од деградација од страна на ензимите.
Нашата работа со трипанозомите во моментов е чисто основно истражување. Се надеваме дека методите што ги развивме за да ја разбереме сложената биологија на трипанозомите и резултатите добиени со нив, ќе помогнат во борбата против тропските болести на спиење, како и лајшманиозата и болеста Чагас, поуспешно во иднина.