Tendonul lui Ahile al unui criminal - Universitatea; t Heidelberg

Boala somnului - o boală insidioasă care afectează oamenii și animalele din părți mari din Africa și America de Sud - este cauzată de un parazit mic pe care îl transmite musca tsetse. În corpul victimelor sale, parazitul pătrunde în creier și provoacă simptomele tipice care dau numele bolii. Până în prezent nu există vaccin și puține medicamente eficiente. Christine Clayton de la Centrul de Biologie Moleculară de la Universitatea Heidelberg (ZMBH) descrie modul în care cercetătorii de bază continuă să înțeleagă biologia parazitului. Cu cât îl cunosc mai bine, cu atât se apropie mai mult de obiectivul lor: vor să găsească „tendonul lui Ahile” al criminalului rău intenționat care a provocat până acum victimelor sale o moarte aproape inevitabilă, lentă.

Bolnavii încetează să mai mănânce, slăbesc dramatic și cad repetat într-un somn anestezic. Somnolența specifică este semnul caracteristic al unei boli care a devastat părți mari din Africa, în special la începutul secolului al XX-lea, și a fost numită „boală a somnului” după simptomul său clasic. Chiar și astăzi, oamenii și animalele din Africa și America de Sud sunt afectate de boala infecțioasă majoritar fatală. Boala este cauzată de un mic parazit numit tripanosom, care este transmis de muștele tsetse. Dacă parazitul intră în sânge și se înmulțește acolo, boala devine mai întâi vizibilă cu atacuri de febră. Mai târziu, în faza chonică, în timpul căreia paraziții invadează creierul, apare simptomul clasic al somnolenței persistente.

În prezent, există doar câteva medicamente care pot vindeca stadiile incipiente ale bolii somnului. Un singur medicament - melarsoprolul, care conține arsenic - poate ataca în continuare parazitul odată ce a infectat creierul. Un al doilea medicament care poate fi eficient în stadiul creierului este mult prea scump pentru populația afectată de boală. Aproape toate medicamentele, în special melarsoprolul, sunt foarte toxice. Rezistența a fost dovedită și între timp, ceea ce înseamnă că parazitul a reușit să reziste efectelor medicamentului. Toate încercările de a dezvolta vaccinuri împotriva bolii somnului - „tripanosomiaza” - nu au reușit până acum. Prin urmare, este urgent necesar să se dezvolte noi strategii care să conducă la măsuri terapeutice mai eficiente împotriva agentului patogen insidios.

Tripanosomii africani aparțin unei familii de paraziți care provoacă și alte boli tropicale. Prevalența tripanosomiozei africane și a tripanosomiozei americane aferente (așa-numita boală Chagas) și a leishmaniozei este mare; În câteva sate din Sudan și Angola, de exemplu, aproape fiecare al doilea rezident este infectat cu tripanosomi. Fără îngrijiri medicale, oamenii sunt în mare parte sortiți morții încet.

Medicamentele împotriva agenților patogeni - fie că sunt viruși, bacterii sau paraziți - folosesc întotdeauna diferențele care există între agenții patogeni și „gazda” lor (oameni sau animale). Acest lucru este relativ ușor cu bacteriile, deoarece acestea diferă de gazda lor în multe feluri. Cu toate acestea, tripanosomii sunt „eucariote”, ceea ce înseamnă că structura lor de bază este similară cu celulele umane. Materialul genetic (ADN) al parazitului este, de exemplu, ca celulele umane, închise de o membrană (nucleul celulei); multe procese celulare din tripanosomi sunt aproape identice cu cele din celulele umane. Pentru a putea dezvolta medicamente mai eficiente, trebuie să identificăm cu precizie diferențele dintre celulele tripanosome și celulele umane și apoi să încercăm să inhibăm în mod specific funcțiile specifice ale parazitului. Prin urmare, în laboratorul nostru din Heidelberg, căutăm intens propriile particularități ale parazitului, pe care le au toți tripanosomii și leishmania - dar nu celulele umane. Sperăm să identificăm noi ținte pe care medicamentele (agenții chimioterapeutici) le pot viza în mod eficient.

Cum găsiți astfel de ținte vulnerabile din punct de vedere terapeutic, specifice paraziților? Zona din jurul tripanosomului din sânge este bogată în substanțe nutritive și favorizează reproducerea acestuia - dar nu este deloc inofensivă pentru parazit. Pericolul vine de la sistemul imunitar. Deoarece tripanosomii înoată liber și sunt distribuiți în tot corpul, se întâlnesc adesea cu celule ale sistemului imunitar. La aproximativ o săptămână după infecție, gazda a mobilizat de fapt suficiente „trupe de apărare” împotriva parazitului invadator. Cu toate acestea, tripanosomul a dezvoltat un sistem cu care reușește să scape de celulele și mecanismele imune: parazitul își schimbă rapid „învelișul proteic” exterior în timpul reproducerii sale, astfel încât se creează o suprafață complet diferită. Celulele mobilizate ale sistemului imunitar nu mai recunosc acest nou „strat”. Deoarece paraziții sunt capabili să se îmbrace în aproximativ 1000 de straturi diferite (= proteine de suprafață) și modificările genetice ale parazitului provoacă alte modificări fundamentale, sistemul imunitar nu poate face nimic împotriva amenințării. Prin urmare, boala este întotdeauna fatală fără chimioterapie.

Comutatoare genice inteligente

Variația constantă a stratului lor de suprafață permite tripanosomilor să își folosească mediul bogat în nutrienți „netulburat”. Lichidul din sânge conține oxigen, diverse elemente de bază ale vieții, dar mai presus de toate multă glucoză. Pentru ca energia din interiorul unei celule să poată fi utilizată, aceasta trebuie stocată în anumite forme chimice; cea mai importantă „monedă energetică” a celulei este ATP (trifosfatul de adenozină). Unele celule umane reușesc să producă aproximativ 20 de molecule ATP dintr-o moleculă de glucoză. Tripanosomii din sânge, pe de altă parte, câștigă doar două molecule de ATP pe moleculă de glucoză. Și aici există o diferență semnificativă între parazit și gazda acestuia: enzimele care determină această conversie chimică a glucozei în ATP sunt organizate și controlate complet diferit în tripanosomi și în rudele lor decât în alte ființe vii. Această caracteristică a paraziților este unul dintre cele mai importante proiecte de cercetare.

Energia este generată de diferite enzime, toate fiind împachetate în spații mici (compartimente) din interiorul unei celule. Lanțul enzimatic al tripanosomilor are o structură foarte simplă. Prin urmare, biochimiștii și matematicienii din Belgia și Olanda au putut simula întregul proces enzimatic cu un model computerizat. Lucrăm cu acești colegi pentru a verifica modelele matematice folosind genetică.

Pentru aceste examinări folosim o procedură genetică specială pe care am dezvoltat-o special în acest scop. Ne permite să pornim și să oprim genele pentru a le determina funcția. Rezultatele ar trebui să ajute la identificarea enzimelor care joacă un rol deosebit de important în controlul ritmului la care se descompune glucoza. Aceste enzime ar fi o țintă potențială pentru o nouă terapie medicamentoasă pentru tripanosomioză.

Ca aproape toate celulele eucariote, tripanosomii au fiecare câte două copii ale machetei lor genetice. Schimbăm tripanosomii astfel încât să conțină doar o copie a unei anumite gene. Această copie unică este modificată odată cu procesul nostru, astfel încât gena să rămână complet „oprită” în absența unui antibiotic clasic (tetraciclină). Cu toate acestea, dacă adăugați cantități mici de tetraciclină, comutatorul de reglare poate fi activat puțin și gena citită puțin. Gena poate fi activată complet cu cantități mai mari de tetraciclină. Un avantaj deosebit al acestei metode constă în faptul că putem determina funcția anumitor produse genetice (= anumite proteine) ale parazitului la animalele testate (șoareci): Animalele sunt infectate mai întâi cu tripanosomi modificați genetic și apoi se administrează tetraciclină cu apă potabilă pentru a activa comutatorul genei, așa cum este descris, pentru a activa și a determina funcția genei.

Deșeuri vizibile

O altă particularitate specifică parazitului se referă la „manipularea” pe care o mențin tripanosomii cu proteinele care sunt produse în conformitate cu instrucțiunile genelor lor. Deoarece tripanosomii trebuie să se adapteze la multe condiții de mediu modificate din corpul gazdei lor, trebuie să sintetizeze multe proteine noi, în timp ce altele - proteine care sunt importante într-un mediu diferit - nu mai sunt necesare. Pentru a face față acestor condiții, paraziții au dezvoltat un sistem deosebit de risipitor. În aproape toate organismele de pe pământ - atât oamenii, cât și bacteriile - genele ale căror produse nu mai sunt necesare sunt oprite. Doar atunci când produsul genetic corespunzător este necesar din nou, gena este pornită din nou.

Nu la fel cu tripanosomii. Ei sintetizează tot ARN-ul lor în același timp și apoi aruncă ceea ce nu mai au nevoie. Este ca și cum un bucătar din restaurant pregătește toate felurile de mâncare din meniu în același timp în fiecare zi și apoi aruncă pur și simplu mâncărurile care nu sunt comandate. Aceste deșeuri de ARN reprezintă, de asemenea, o diferență semnificativă între parazit și celula gazdă pe care încercăm să o înțelegem în laborator.

Proteinele sunt lanțuri care constau din 20 de blocuri diferite, aminoacizii. Lungimea lanțului și compoziția sa a anumitor aminoacizi determină proprietățile proteinei. Genele care determină structura proteinelor din anumiți aminoacizi constau din patru nucleotide diferite, care sunt desemnate cu literele A, G, C și T. Diferite combinații de trei dintre aceste nucleotide, cum ar fi AGC sau AGT, codifică fiecare aminoacid. Pentru ca o proteină să poată fi asamblată din aminoacizi, genele responsabile de aceasta sunt copiate în ceea ce este cunoscut sub numele de „ARN mesager”. ARN-ul mesager are avantajul că poate părăsi nucleul prin pori specializați. În afara nucleului celular, în plasma celulară, este utilizat pentru asamblarea proteinelor cu o secvență definită de aminoacizi.

Dacă bucătarul nostru imaginar își umple în mod constant bufetul cu farfurii pline, dar neordonate, cererea este foarte dependentă de numărul de clienți interesați și de foamea lor. Situația este similară cu cantitatea de ARN din celulă. Deși cantitatea de ARN mesager depinde în mod normal de viteza cu care este produs, defalcarea acestuia poate fi importantă și pentru cantitatea de ARN prezent într-o celulă - și, prin urmare, la fel ca producția, trebuie controlată. La om, această descompunere reglementată a ARN-ului este deosebit de importantă pentru a menține creșterea celulelor sub control: multe molecule de ARN care codifică proteinele care reglează creșterea sunt foarte instabile și doar de scurtă durată. Dar dacă devin de lungă durată din cauza lipsei de control, se poate dezvolta o celulă canceroasă.

Noi și alți colegi de cercetare am studiat intens controlul expresiei genelor (citirea și traducerea ulterioară a informațiilor codificate pentru o proteină conținută în genă) în tripanosomi. Am descoperit că multe gene sunt copiate una după alta în molecule lungi de ARN și abia apoi sunt tăiate în componente individuale. Doar după acest proces, tripanosomii au molecule de ARN similare cu alte celule nucleate. Cantitatea de ARN conținută în celulă poate fi determinată numai în tripanosomi printr-o defalcare reglementată - producția nu este supusă niciunui control.

Începutul unui ARN mesager este de obicei modificat în așa fel (protecție = modificare de protecție) încât să reziste degradării de către enzimele responsabile pentru el pentru o perioadă destul de lungă de timp. La capătul opus, moleculele de ARN ale celulelor nucleate au întotdeauna o „coadă” caracteristică, care constă din aproximativ 200 de repetări ale bazei „A”. Majoritatea moleculelor de ARN mesager sunt atacate de o anumită enzimă pe această „coadă-A”. Numai când coada A este foarte scurtă, începutul ARN-ului este atacat de enzime și digerat. O altă enzimă specifică elimină mai întâi modificarea protectoare la începutul moleculei, după care ARN-ul este accesibil pentru degradarea enzimatică ulterioară și este distrus complet rapid. Pentru ca durata de viață a unui astfel de ARN messenger să poată fi controlată în acest fel, secvența întregului ARN trebuie mai întâi recunoscută de o proteină specifică. Astfel de proteine stimulează sau inhibă acele enzime care determină prima etapă de dizolvare și, ulterior, descompunerea succesivă a cozii A.

O a doua strategie de degradare începe cu un atac în mijlocul moleculei de ARN mesager. O enzimă specifică recunoaște ARN-ul și îl împarte în jumătate, care este urmat de digestia moleculei de la ambele capete. O a doua proteină controlează această cale de degradare: recunoaște locul de scindare, se leagă de acesta și astfel protejează ARN-ul de degradarea de către enzime.

Munca noastră cu tripanosomii este în prezent cercetare pur de bază. Sperăm că metodele pe care le-am dezvoltat pentru a înțelege biologia complexă a tripanosomilor și rezultatele obținute cu acestea vor ajuta la combaterea bolii tropicale a somnului, precum și a leishmaniozei și a bolii Chagas, cu mai mult succes în viitor.