Achillova šľacha vraha - vesmír; t Heidelberg
Spavú chorobu - zákernú chorobu, ktorá postihuje ľudí a zvieratá vo veľkých častiach Afriky a Južnej Ameriky - spôsobuje drobný parazit, ktorý prenáša mucha tse-tse. V tele obete parazit preniká do mozgu a spôsobuje typické príznaky, ktoré mu dávajú meno. Dodnes neexistuje vakcína a málo účinných liekov. Christine Clayton z Centra pre molekulárnu biológiu na Heidelbergskej univerzite (ZMBH) popisuje, ako základný výskumníci postupujú pri porozumení biológie parazita. Čím lepšie ho spoznáte, tým viac sa priblížite k svojmu cieľu: Chcete nájsť „achillovu šľachu“ zlomyseľného vraha, ktorý doteraz spôsobil jeho obetiam takmer nevyhnutnú, pomalú smrť.
Chorí prestávajú jesť, dramaticky chudnú a opakovane upadajú do spánku podobného anestézii. Zvláštna ospalosť je charakteristickým znakom choroby, ktorá pustošila veľké časti Afriky, najmä na začiatku 20. storočia, a podľa svojho klasického príznaku dostala meno „spavá choroba“. Ľudia a zvieratá v Afrike a Južnej Amerike sú aj dnes postihnutí väčšinou smrteľnou infekčnou chorobou. Ochorenie je spôsobené malým parazitom nazývaným trypanosoma, ktorý sa prenáša muchami tse-tse. Ak sa parazit dostane do krvi a rozmnožuje sa tam, ochorenie je najskôr badateľné pri záchvatoch horúčky. Neskôr, v chonickej fáze, počas ktorej parazity napadnú mozog, sa objaví klasický príznak pretrvávajúcej ospalosti.
V súčasnosti existuje len niekoľko liekov, ktoré dokážu vyliečiť počiatočné štádiá spánkovej choroby. Iba jeden liek - melarsoprol, ktorý obsahuje arzén, môže stále napadnúť parazita, aj keď infikuje mozog. Druhý liek, ktorý môže byť účinný v mozgovom štádiu, je pre obyvateľov postihnutých týmto ochorením príliš drahý. Takmer všetky lieky, najmä melarsoprol, sú veľmi toxické. Medzitým sa tiež dokázala rezistencia, čo znamená, že parazit dokázal úspešne odolávať účinkom liekov. Všetky pokusy o vývoj vakcín proti spavej chorobe - „trypanosomiáze“ - boli zatiaľ neúspešné. Je preto nevyhnutne potrebné vyvinúť nové stratégie, ktoré povedú k účinnejším terapeutickým opatreniam proti zákernému patogénu.
Africké trypanozómy patria do rodiny parazitov, ktoré spôsobujú aj ďalšie tropické choroby. Prevalencia africkej trypanosomiázy a súvisiacej americkej trypanosomiázy (takzvaná Chagasova choroba) a leishmaniózy je veľká; Napríklad v niekoľkých dedinách v Sudáne a Angole je takmer každý druhý obyvateľ infikovaný trypanozómami. Bez lekárskej starostlivosti sú ľudia väčšinou odsúdení na pomalú smrť.
Lieky proti patogénom - či už vírusom, baktériám alebo parazitom - vždy využívajú rozdiely, ktoré existujú medzi patogénmi a ich „hostiteľom“ (ľuďmi alebo zvieratami). S baktériami je to porovnateľne jednoduché, pretože sa od hostiteľa líšia v mnohých ohľadoch. Trypanozómy sú však „eukaryoty“, čo znamená, že ich základná štruktúra je podobná ľudským bunkám. Genetický materiál (DNA) parazita je napríklad podobný ako v ľudských bunkách uzavretý membránou (bunkové jadro); veľa bunkových procesov v trypanozómoch je takmer identických s procesmi v ľudských bunkách. Aby sme mohli vyvíjať účinnejšie lieky, musíme presne identifikovať rozdiely medzi bunkami trypanozómu a ľudskými bunkami a potom sa pokúsiť špecificky inhibovať špecifické funkcie parazita. V našom laboratóriu v Heidelbergu preto intenzívne hľadáme vlastné zvláštnosti parazita, ktoré majú všetky trypanozómy a leishmaniózy - ale nie ľudské bunky -. Dúfame, že identifikujeme nové ciele, na ktoré môžu lieky (chemoterapeutické látky) účinne zamerať.
Ako nájdete také terapeuticky zraniteľné ciele špecifické pre parazity? Okolie trypanozómu v krvi je bohaté na živiny a prispieva k jeho reprodukcii - pre parazita však nie je nijako neškodné. Nebezpečenstvo pochádza z imunitného systému. Pretože trypanozómy voľne plávajú a sú distribuované po celom tele, často sa stretávajú s bunkami imunitného systému. Asi týždeň po infekcii hostiteľ skutočne zmobilizoval dostatok „obranných jednotiek“ proti napadnutému parazitovi. Trypanosoma však vyvinul systém, pomocou ktorého sa mu darí unikať imunitným bunkám a mechanizmom: parazit v priebehu svojej reprodukcie rýchlo zmení svoj vonkajší „proteínový obal“, takže sa vytvorí úplne iný povrch. Mobilizované bunky imunitného systému už tento nový „plášť“ nerozpoznávajú. Pretože sa paraziti dokážu obliecť do asi 1 000 rôznych vrstiev (= povrchové bielkoviny) a genetické zmeny u parazita spôsobujú ďalšie zásadné zmeny, imunitný systém nemôže proti tejto hrozbe nič urobiť. Toto ochorenie je preto bez chemoterapie vždy smrteľné.
Šikovné génové prepínače
Konštantné variácie ich povrchovej vrstvy umožňujú trypanozómom „nerušene“ využívať ich prostredie bohaté na živiny. Krvná tekutina obsahuje kyslík, rôzne stavebné prvky života, ale predovšetkým veľa glukózy. Aby bola energia v bunke použiteľná, musí sa skladovať v určitých chemických formách; najdôležitejšou „energetickou menou“ bunky je ATP (adenozíntrifosfát). Niektorým ľudským bunkám sa z jednej molekuly glukózy podarí vyrobiť okolo 20 molekúl ATP. Trypanozómy v krvi na druhej strane získavajú iba dve molekuly ATP na molekulu glukózy. A tu je dôležitý rozdiel medzi parazitom a jeho hostiteľom: enzýmy, ktoré spôsobujú túto chemickú premenu glukózy na ATP, sú v trypanozómoch a ich príbuzných organizované a riadené úplne inak ako u iných živých bytostí. Táto charakteristika parazitov je jedným z našich najdôležitejších výskumných projektov.
Energiu generujú rôzne enzýmy, ktoré sú všetky zabalené do malých priestorov (komôr) v bunke. Enzýmový reťazec trypanozómov je veľmi jednoduchý. Biochemici a matematici z Belgicka a Holandska boli preto schopní simulovať celý enzymatický proces pomocou počítačového modelu. S týmito kolegami spolupracujeme na kontrole matematických modelov pomocou genetiky.
Na tieto vyšetrenia používame špeciálny genetický postup, ktorý sme vyvinuli špeciálne pre tento účel. Umožňuje nám zapínať a vypínať gény, aby sme určili ich funkciu. Výsledky by mali pomôcť identifikovať enzýmy, ktoré zohrávajú obzvlášť dôležitú úlohu pri riadení rýchlosti odbúravania glukózy. Tieto enzýmy by boli potenciálnym cieľom pre novú liekovú terapiu trypanosomiázy.
Rovnako ako takmer všetky eukaryotické bunky, aj trypanozómy majú dve kópie svojej genetickej výbavy. Trypanozómy meníme tak, aby obsahovali iba jednu kópiu určitého génu. Táto jediná kópia je modifikovaná našim procesom takým spôsobom, že gén zostáva úplne „vypnutý“ pri absencii klasického antibiotika (tetracyklín). Ak však pridáte malé množstvo tetracyklínu, je možné regulačný prepínač trochu aktivovať a gén trochu načítať. Gén sa môže úplne aktivovať väčším množstvom tetracyklínu. Zvláštnou výhodou tejto metódy je, že môžeme určiť funkciu určitých génových produktov (= určitých proteínov) parazita u testovaných zvierat (myší): Zvieratá sa najskôr infikujú geneticky modifikovanými trypanozómami a potom sa na aktiváciu génového prepínača podá s pitnou vodou tetracyklín. ako je opísané, aktivovať a určiť funkciu génu.
Znateľný odpad
Ďalšia zvláštnosť špecifická pre parazity sa týka „manipulácie“, ktorú udržiavajú trypanozómy s proteínmi, ktoré sa produkujú podľa pokynov ich génov. Pretože trypanozómy sa musia prispôsobiť mnohým zmeneným podmienkam prostredia v tele hostiteľa, musia tiež syntetizovať veľa nových proteínov, zatiaľ čo iné - proteíny dôležité v inom prostredí - už nie sú potrebné. Aby sa tieto podmienky vyrovnali, vyvinuli paraziti obzvlášť nehospodárny systém. Takmer vo všetkých organizmoch na Zemi - v ľuďoch aj v baktériách - sú vypnuté gény, ktorých produkty už nie sú potrebné. Gén sa znovu zapne až vtedy, keď je opäť potrebný zodpovedajúci produkt génu.
Inak to nie je v prípade trypanozómov. Syntetizujú naraz všetku svoju RNA a potom vyhodia to, čo už nepotrebujú. Je to, akoby kuchár v reštaurácii pripravoval každý deň všetky jedlá, ktoré sú v ponuke, každý deň v rovnakom čase a potom jedlá, ktoré nie sú objednané, jednoducho vyhodil. Tento odpad RNA je tiež významným rozdielom medzi parazitom a hostiteľskou bunkou, ktorému sa snažíme porozumieť v laboratóriu.
Proteíny sú reťazce, ktoré pozostávajú z 20 rôznych stavebných blokov, aminokyselín. Dĺžka reťazca a jeho zloženie určitých aminokyselín určuje vlastnosti proteínu. Gény, ktoré určujú štruktúru bielkovín z určitých aminokyselín, pozostávajú zo štyroch rôznych nukleotidov, ktoré sú označené písmenami A, G, C a T. Rôzne kombinácie troch z týchto nukleotidov, ako napríklad AGC alebo AGT, kódujú každý jednu aminokyselinu. Aby sa dal proteín zostaviť z aminokyselín, gény, ktoré sú zaň zodpovedné, sa kopírujú do takzvanej „messenger RNA“. Messengerová RNA má výhodu v tom, že môže opustiť jadro špecializovanými pórmi. Mimo bunkového jadra, v bunkovej plazme, sa používa na zostavenie proteínov s definovanou sekvenciou aminokyselín.
Ak náš imaginárny šéfkuchár neustále plní svoj bufet plnými, ale neusporiadanými taniermi, dopyt veľmi závisí od počtu zainteresovaných zákazníkov a ich hladu. Podobná situácia je aj s množstvom RNA v bunke. Aj keď množstvo messengerovej RNA zvyčajne závisí od rýchlosti jej produkcie, jej štiepenie môže byť tiež dôležité pre množstvo RNA prítomnej v bunke - a preto musí byť podobne ako pri produkcii kontrolované. U ľudí je toto regulované odbúravanie RNA obzvlášť dôležité, aby sa udržal rast buniek pod kontrolou: veľa molekúl RNA, ktoré kódujú proteíny regulujúce rast, je veľmi nestabilných a iba krátkodobých. Ale ak z dôvodu nedostatočnej kontroly prežijú dlho, môže sa vyvinúť rakovinová bunka.
My a ďalší výskumní kolegovia sme intenzívne študovali kontrolu génovej expresie (čítanie a následný preklad kódovanej informácie pre proteín obsiahnutý v géne) v trypanozómoch. Zistili sme, že veľa génov je kopírovaných jeden za druhým do dlhých molekúl RNA a až potom sú rozrezané na jednotlivé zložky. Až po tomto procese majú trypanozómy molekuly RNA podobné molekulám iných jadrových buniek. Množstvo RNA obsiahnuté v bunke je možné určiť v trypanozómoch iba prostredníctvom regulovaného rozkladu - produkcia nepodlieha nijakej kontrole.
Začiatok messengerovej RNA je zvyčajne modifikovaný takým spôsobom (ochranná = ochranná modifikácia), ktorý dlho odoláva degradácii enzýmami, ktoré sú za ňu zodpovedné. Na svojom opačnom konci majú molekuly RNA nukleovaných buniek vždy charakteristický „chvost“, ktorý pozostáva z približne 200 opakovaní bázy „A“. Väčšina molekúl messengerovej RNA je napadnutá špecifickým enzýmom na tomto „chvoste“. Iba keď je A-chvost veľmi krátky, je začiatok RNA napadnutý enzýmami a natrávený. Iný špecifický enzým najskôr odstráni ochrannú modifikáciu na začiatku molekuly, čím je RNA prístupná pre ďalšiu enzymatickú degradáciu a veľmi rýchlo sa úplne zničí. Aby bola životnosť takejto mediátorovej RNA takto kontrolovateľná, musí byť najskôr rozpoznaná sekvencia celej RNA podľa špecifického proteínu. Takéto proteíny potom stimulujú alebo inhibujú tie enzýmy, ktoré spôsobujú prvý krok rozpúšťania a následne postupný rozklad A-chvosta.
Druhá stratégia degradácie začína útokom uprostred molekuly mediálnej RNA. Špecifický enzým rozpozná RNA a rozdelí ju na polovicu, po ktorej nasleduje trávenie molekuly z oboch koncov. Druhý proteín riadi túto cestu degradácie: rozpoznáva štiepne miesto, viaže sa na ňu a chráni RNA pred degradáciou enzýmami.
Naša práca s trypanozómami je v súčasnosti čisto základným výskumom. Dúfame, že metódy, ktoré sme vyvinuli na pochopenie komplexnej biológie trypanozómov, a výsledky s nimi získané pomôžu v budúcnosti úspešnejšie v boji proti tropickej spánkovej chorobe, ako aj proti leishmanióze a Chagasovej chorobe.