Jako molekulární biolog začínáte tím, že se naučíte základy kódu DNA. Nejdříve je třeba kód přečíst a přeložit, a pak můžete přejít k vlastní pečlivé úpravě pomocí vyjmutí a vložení a kopírování a vkládání. Jakmile si tyto dovednosti osvojíte, můžete manipulovat s geny, genomy a proteiny a zkoumat, jak buňky „fungují“, a upravovat jejich fungování. Výkon, všestrannost a cenová dostupnost těchto technik se v posledních letech skokově zlepšily souběžně se zdokonalováním informačních technologií. Například sekvenování DNA neboli schopnost „přečíst“ celý genom je nyní dostupná každému výzkumnému týmu s přiměřeně dobrými zdroji.
Techniky jsou důležité, ale ve skutečnosti je to to, co se s nimi dělá, co může zaujmout. Objevení klíčových genů souvisejících s nemocemi, často mnoho let poté, co jsou známy důsledky jejich působení či nepůsobení, je pro mě osobně zdrojem inspirace. Konkrétně si vzpomínám, jak jsem v roce 1989, kdy jsem začínal s doktorátem, četl o identifikaci genu pro cystickou fibrózu a jak jsem v roce 1995 jako postdoktorand slyšel o identifikaci genu pro leptin, který souvisí s obezitou. Pak jsem viděl, jaký dopad může mít objev genů na mou vlastní molekulárně parazitologickou komunitu: var geny malarického parazita v roce 1995, gen související s rezistencí afrického trypanosomu vůči lidskému séru v roce 1998 a transportér rezistence malarického parazita vůči chlorochinu v roce 2000 jsou jen některé příklady. Stále je však náročné identifikovat geny, které se podílejí na konkrétním procesu, který nás zajímá. Objev nového a důležitého genu je také pouze prvním krokem ve výzkumu zaměřeném na úplné pochopení funkce a potenciálu například jako terapeutického cíle nebo kandidáta na očkování. Nevyřešené výzvy jsou však právě tím, co nadále pohání technologické inovace ve vědách o živé přírodě.
Jaká je tedy situace u jednobuněčných trypanosomatidních parazitů, na kterých pracujeme v Dundee? Tyto vysoce pohyblivé buňky, dlouhé asi 1/50 milimetru, se mezi savci šíří krev sajícím hmyzem. Mají ničivý dopad na chudé obyvatele světa a způsobují „zanedbávané tropické nemoci“ africkou trypanosomózu, Chagasovu chorobu a leishmaniózu. Důsledkem této řady lidských a zvířecích onemocnění jsou statisíce úmrtí ročně a přibližně milion případů znetvořujících lézí spojených s kožní leishmaniózou ročně. Trypanosomy také vážně omezují dovoz vnímavých koní, skotu, ovcí a koz po celé Africe.
Zaměřili jsme se zejména na africké trypanosomy a vidíme, že antiparazitární adaptace hostitele a antiparazitární léky jsou neustále ohroženy zastaráváním v „závodech ve zbrojení“ mezi námi a parazity. V naději, že pomůžeme získat v tomto závodě navrch, jsme přizpůsobili přístup genetického screeningu, který nám umožňuje zkoumat každý gen parazita z hlediska jeho role v působení léků a rezistence vůči nim. To odhalilo >50 nových genů spojených s klinicky používanými léky. Například léky nifurtimox a eflornitin jsou široce používány jako kombinovaná terapie. Potvrdili jsme, že nifurtimox je přeměňován na účinnější léčivo enzymem parazita, a jak nezávisle na tom uvádějí i jiné skupiny, zjistili jsme, že eflornitin je vychytáván transportérem aminokyselin parazita.
Bylo zjištěno, že mnohem starší léčivo, suramin, se do buňky dostává stopem na povrchovém proteinu parazita. To byl obzvláště potěšující objev, protože Paul Ehrlich, „otec chemoterapie“, který před více než 100 lety vytvořil hypotézu „kouzelné kulky“ i předchůdce suraminu, prohlásil: „Až jednou poznáme většinu chemoreceptorů určitého druhu parazita… budeme mít dalekosáhlé možnosti současného útoku různými prostředky“ (Ehrlich, 1913). Našli jsme tedy jeden z Ehrlichových „chemioreceptorů“, což skutečně představuje nové možnosti pro terapeutický vývoj.
Další zjištění se týkalo dalších dvou starých léků, u nichž byla zkřížená rezistence zaznamenána již před více než 60 lety. Tato zkřížená rezistence k melarsoprolu a pentamidinu byla spojena s defektem akvaglyceroporinu, dalšího membránového transportéru parazitů. Rezistence na melarsoprol, poměrně toxický, ale jinak účinný lék obsahující arsen, byla v některých oblastech pozorována až u 50 % pacientů. Týmy, které shromažďovaly a uchovávaly rezistentní parazity z celé Afriky, byly schopny rychle identifikovat defekty v tomto transportéru a vysledovat je až do poloviny 70. let 20. století. Genetické změny, které umožnily trypanosomám odolávat této konkrétní terapii, jsou tedy nyní známy, dopad těchto změn lze podrobně zkoumat a šíření a distribuci rezistentních parazitů lze účinně monitorovat.
Je docela pozoruhodné, jak se biologické procesy často stávají experimentálně přístupnými nečekaným způsobem, pravděpodobně proto, že se o mnoha z nich musíme ještě hodně učit. To je také moje osobní zkušenost. V případě našich vlastních zjištění to byla naše práce na opravách DNA, která nám umožnila vyvinout výše popsaný přístup genetického screeningu. Navíc naší původní motivací pro vývoj tohoto přístupu byla touha řešit zcela jinou otázku genové exprese; naštěstí se nám podařilo navázat spolupráci s kolegy, kteří již byli zavedenými odborníky na rezistenci k lékům.
Je zřejmé, že znalost toho, jak léky fungují a jak přestávají fungovat, pomáhá zlepšit vyhlídky na vypracování účinnějších a trvalejších terapií a také zlepšuje vyhlídky na sledování a řešení rezistence, když se objeví. Jako primárně „základní výzkumníci“ budeme ve spolupráci s partnery v Dundee Drug Discovery Unit pokračovat v našem úsilí o objevování a pitvání biologie trypanosomatidů, které lze léčit. Nyní jsou totiž k dispozici nástroje a technologie, které umožňují zkoumat tyto chemicko-biologické interakce s vyšší propustností než kdykoli předtím.
Protože naše práce neustále závisí na práci a objevech mnoha kolegů – obávám se, že jich je příliš mnoho na to, abych je vyjmenoval -, na závěr zopakuji to, co je pravděpodobně poměrně zřejmé: dopad proti těmto a dalším lidským a zvířecím patogenům vyžaduje komunitu výzkumných pracovníků, kritické množství, otevřenou interakci, spolupráci a přístup k výkonným technologiím, a to jak na základní, tak na translační úrovni. Jasné je také to, že experimenty s patogeny budou i nadále přinášet poznatky mnohem širšího významu pro vědy o živé přírodě i mimo ni.
- Prezentace PowerPoint
- větší obrázek
- původní obrázek
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001