Ахилесово сухожилие на убиец - Universit; t Хайделберг
Спящата болест - коварна болест, която засяга хората и животните в големи части на Африка и Южна Америка - се причинява от малък паразит, който мухата цеце предава. В тялото на своите жертви паразитът прониква в мозъка и причинява типичните симптоми, които дават името на болестта. Към днешна дата няма ваксина и малко ефективни лекарства. Кристин Клейтън от Центъра за молекулярна биология към университета в Хайделберг (ZMBH) описва как основните изследователи продължават да разбират биологията на паразита. Колкото по-добре го опознават, толкова по-близо се доближават до целта си: Те искат да открият „ахилесовото сухожилие“ на злонамерения убиец, който досега е причинил на жертвите си почти неизбежна, бавна смърт.
Болните спират да се хранят, те отслабват драстично и многократно изпадат в подобен на упойка сън. Особената сънливост е характерният признак на заболяване, което опустошава големи части от Африка, особено в началото на 20-ти век, и е наречено „сънна болест“ след класическия си симптом. Дори днес хората и животните в Африка и Южна Америка са засегнати от най-вече фаталната инфекциозна болест. Болестта се причинява от малък паразит, наречен трипанозома, който се предава от мухите цеце. Ако паразитът попадне в кръвта и се размножи там, болестта първо става забележима с пристъпи на треска. По-късно, в хоничната фаза, през която паразитите нахлуват в мозъка, се появява класическият симптом на постоянна сънливост.
В момента има само няколко лекарства, които могат да излекуват ранните етапи на сънна болест. Само едно лекарство - меларсопрол, което съдържа арсен - все още може да атакува паразита, след като зарази мозъка. Второто лекарство, което може да бъде ефективно на мозъчния етап, е твърде скъпо за населението, засегнато от болестта. Почти всички лекарства, особено меларсопрол, са много токсични. Междувременно е доказана и резистентност, което означава, че паразитът е успял да устои на ефектите на лекарството. Всички опити за разработване на ваксини срещу сънна болест - "трипанозомоза" - досега са били неуспешни. Ето защо е спешно необходимо да се разработят нови стратегии, които да доведат до по-ефективни терапевтични мерки срещу коварния патоген.
Африканските трипанозоми принадлежат към семейство паразити, които причиняват и други тропически заболявания. Разпространението на африканската трипанозомоза и свързаната с нея американска трипанозомоза (така наречената болест на Chagas) и лайшманиозата е голямо; Например в няколко села в Судан и Ангола почти всеки втори жител е заразен с трипанозоми. Без медицинска помощ хората най-вече са обречени да забавят смъртта.
Лекарствата срещу патогени - независимо дали са вируси, бактерии или паразити - винаги използват разликите, които съществуват между патогените и техния „гостоприемник“ (хора или животни). Това е сравнително лесно с бактериите, тъй като те се различават от своя гостоприемник в много отношения. Трипанозомите обаче са „еукариоти“, което означава, че основната им структура е подобна на човешките клетки. Генетичният материал (ДНК) на паразита е например като този на човешките клетки, затворен от мембрана (клетъчното ядро); много клетъчни процеси в трипанозомите са почти идентични с тези в човешките клетки. За да можем да разработим по-ефективни лекарства, трябва точно да идентифицираме разликите между трипанозомните клетки и човешките клетки и след това да се опитаме да инхибираме специфичните функции на паразита. Следователно в нашата лаборатория в Хайделберг ние интензивно търсим присъщи паразити, които всички трипанозоми и лайшмании - но не и човешки клетки - имат. Надяваме се да идентифицираме нови цели, към които лекарствата (химиотерапевтични агенти) могат да се насочат ефективно.
Как намирате такива специфични за паразити, терапевтично уязвими цели? Средата на трипанозомата в кръвта е богата на хранителни вещества и способства за нейното размножаване - но в никакъв случай не е безвредна за паразита. Опасността идва от имунната система. Тъй като трипанозомите плуват свободно и са разпределени в тялото, те често срещат клетки на имунната система. Около седмица след заразата домакинът всъщност е мобилизирал достатъчно „отбранителни войски“ срещу нахлуващия паразит. Трипанозомата обаче е разработила система, с която успява успешно да избяга от защитните клетки и механизми: паразитът бързо сменя външната си „протеинова обвивка“ в хода на размножаването си, така че се създава съвсем друга повърхност. Мобилизираните клетки на имунната система вече не разпознават тази нова „обвивка“. Тъй като паразитите могат да се обличат в около 1000 различни слоя (= повърхностни протеини) и генетичните промени в паразита причиняват допълнителни основни промени, имунната система не може да направи нищо срещу заплахата. Следователно заболяването винаги е фатално без химиотерапия.
Умни генни превключватели
Постоянното изменение на повърхностната им мантия позволява на трипанозомите да използват богатата на хранителни вещества среда „необезпокоявана“. Кръвната течност съдържа кислород, различни градивни елементи на живота, но преди всичко много глюкоза. За да може енергията в клетката да бъде използваема, тя трябва да се съхранява в определени химически форми; най-важната "енергийна валута" на клетката е АТФ (аденозин три-фосфат). Някои човешки клетки успяват да направят около 20 молекули АТФ от една молекула глюкоза. Трипанозомите в кръвта, от друга страна, получават само две молекули АТФ на молекула глюкоза. И тук има значителна разлика между паразита и неговия гостоприемник: ензимите, които водят до това химично превръщане на глюкозата в АТФ, се организират и контролират напълно по различен начин в трипанозомите и техните роднини, отколкото при другите живи същества. Тази характеристика на паразитите е един от най-важните ни изследователски проекти.
Енергията се генерира от различни ензими, всички те са опаковани в малки пространства (отделения) в клетката. Ензимната верига на трипанозомите е много проста. Поради това биохимиците и математиците от Белгия и Холандия успяха да симулират целия ензимен процес с компютърен модел. Работим с тези колеги, за да проверим математическите модели, използвайки генетика.
За тези изследвания използваме специална генетична процедура, която сме разработили специално за тази цел. Позволява ни да включваме и изключваме гени, за да определим тяхната функция. Резултатите трябва да помогнат за идентифициране на ензимите, които играят особено важна роля за контролиране на скоростта на разграждане на глюкозата. Тези ензими биха били потенциална цел за нова лекарствена терапия за трипанозомоза.
Подобно на почти всички еукариотни клетки, трипанозомите имат по две копия на генетичния си състав. Ние променяме трипанозомите така, че те да съдържат само едно копие на определен ген. Това единично копие се променя с нашия процес по такъв начин, че генът да остане напълно „изключен“ при липса на класически антибиотик (тетрациклин). Ако обаче добавите малки количества тетрациклин, регулаторният превключвател може да се активира малко и генът да прочете малко. Генът може да бъде напълно активиран с по-големи количества тетрациклин. Особено предимство на този метод е, че можем да определим функцията на определени генни продукти (= определени протеини) на паразита при тестваните животни (мишки): Животните първо се заразяват с генетично модифицирани трипанозоми и след това тетрациклин се прилага с питейната вода, за да активира генния превключвател както е описано, за активиране и за определяне на функцията на гена.
Забележими отпадъци
Друга специфична за паразитите особеност се отнася до "боравенето", което трипанозомите имат с протеините, които се произвеждат съгласно инструкциите на техните гени. Тъй като трипанозомите трябва да се адаптират към много променени условия на околната среда в тялото на своя гостоприемник, те също трябва да синтезират много нови протеини, докато други - протеини, които са важни в различна среда - вече не са необходими. За да се справят с тези условия, паразитите са разработили особено разточителна система. В почти всички организми на земята - както хората, така и бактериите - гените, чиито продукти вече не са необходими, са изключени. Само когато съответният генен продукт е необходим отново, генът се включва отново.
Не е така с трипанозомите. Те синтезират цялата си РНК едновременно и след това изхвърлят това, което вече не им е необходимо. Сякаш готвач в ресторанта приготвя всички ястия, които са в менюто всеки ден по едно и също време и след това просто изхвърля ястията, които не са поръчани. Тези РНК отпадъци също са значителна разлика между паразита и клетката гостоприемник, която се опитваме да разберем в лабораторията.
Протеините са вериги, които се състоят от 20 различни градивни елемента, аминокиселините. Дължината на веригата и нейният състав на някои аминокиселини определят свойствата на протеина. Гените, които определят структурата на протеините от някои аминокиселини, се състоят от четири различни нуклеотида, които са обозначени с буквите A, G, C и T. Различни комбинации от три от тези нуклеотиди, като AGC или AGT, кодират по една аминокиселина. За да може да се събере протеин от аминокиселините, гените, отговорни за него, се копират в това, което е известно като „пратена РНК“. Пратеникът РНК има предимството, че може да напусне ядрото през специализирани пори. Извън клетъчното ядро, в клетъчната плазма, той се използва за събиране на протеини с определена последователност от аминокиселини.
Ако нашият въображаем готвач непрекъснато пълни бюфета си с пълни, но неподредени чинии, търсенето зависи много от броя на заинтересованите клиенти и техния глад. Подобна е ситуацията и с количеството РНК в клетката. Въпреки че количеството пратеник РНК обикновено зависи от скоростта, с която се произвежда, неговото разпадане също може да бъде важно за количеството РНК, налично в клетката - и следователно, подобно на производството, трябва да се контролира. При хората това регулирано разграждане на РНК е особено важно, за да се поддържа растежът на клетките под контрол: много РНК молекули, които кодират протеини, регулиращи растежа, са много нестабилни и само краткотрайни. Но ако те станат дълголетни поради липса на контрол, може да се развие ракова клетка.
Ние и други колеги изследователи интензивно изучавахме контрола на генната експресия (четенето и последващото превеждане на кодираната информация за протеин, съдържащ се в гена) в трипанозомите. Открихме, че много гени се копират един след друг в дълги РНК молекули и едва след това се нарязват на отделни компоненти. Само след този процес трипанозомите имат подобни молекули на РНК като другите ядрени клетки. Количеството РНК, съдържащо се в клетката, може да бъде определено в трипанозомите само чрез регулиран разпад - производството не подлежи на никакъв контрол.
Началото на пратеника РНК обикновено се модифицира по такъв начин (защитно = защитно модифициране), че дълго време издържа на разграждането от ензимите, отговорни за него. В противоположния си край РНК молекулите на ядрените клетки винаги имат характерна „опашка“, която се състои от приблизително 200 повторения на основата „А“. Повечето от молекулите на РНК пратеника са атакувани от специфичен ензим на тази „А-опашка“. Само когато А-опашката е много къса, началото на РНК се атакува от ензими и се усвоява. Друг специфичен ензим първо премахва защитната модификация в началото на молекулата, след което РНК е достъпна за по-нататъшно ензимно разграждане и много бързо напълно унищожена. За да може животът на такава пратена РНК да се контролира по този начин, последователността на цялата РНК първо трябва да бъде разпозната от специфичен протеин. След това такива протеини стимулират или инхибират тези ензими, които причиняват първата стъпка на разтваряне и впоследствие последователното разграждане на A-опашката.
Втора стратегия за разграждане започва с атака в средата на пратеника РНК молекула. Специфичен ензим разпознава РНК и я разделя наполовина, което е последвано от усвояване на молекулата от двата края. Втори протеин контролира този път на разграждане: той разпознава мястото на разцепване, свързва се с него и предпазва РНК от разграждане от ензимите.
В момента работата ни с трипанозомите е чисто основно изследване. Надяваме се, че разработените от нас методи за разбиране на сложната биология на трипанозомите и резултатите, получени с тях, ще помогнат за по-успешно борба с тропическата болест на съня, както и с лайшманиозата и болестта на Шагас.