Als Molekularbiologe beginnt man damit, die Grundlagen des DNA-Codes zu lernen. Das Lesen und Übersetzen des Codes steht an erster Stelle, und dann kann man dazu übergehen, den Code mit Hilfe von Ausschneiden und Einfügen sowie Kopieren und Einfügen selbst sorgfältig zu bearbeiten. Sobald Sie diese Fähigkeiten erworben haben, können Sie Gene, Genome und Proteine manipulieren, um zu untersuchen, wie Zellen „funktionieren“, und um ihre Arbeitsweise anzupassen. Die Leistungsfähigkeit, Vielseitigkeit und Erschwinglichkeit dieser Techniken haben sich in den letzten Jahren parallel zu den Verbesserungen in der Informationstechnologie sprunghaft verbessert. So ist beispielsweise die DNA-Sequenzierung oder die Fähigkeit, ein ganzes Genom zu „lesen“, heute für jedes einigermaßen gut ausgestattete Forschungsteam zugänglich.
Die Techniken sind wichtig, aber es ist wirklich das, was man mit ihnen macht, was die Phantasie anregen kann. Die Entdeckung wichtiger krankheitsassoziierter Gene, oft viele Jahre, nachdem die Folgen ihres Wirkens oder Nichthandelns bekannt sind, war für mich persönlich eine Quelle der Inspiration. Ich erinnere mich insbesondere an die Entdeckung des Mukoviszidose-Gens im Jahr 1989, als ich mit meiner Promotion begann, und an die Entdeckung des Leptin-Gens, das mit Fettleibigkeit in Verbindung steht, als ich 1995 promoviert wurde. Dann sah ich, welche Auswirkungen die Entdeckung von Genen auf meine eigene molekulare Parasitologie-Gemeinschaft haben konnte: die var-Gene des Malariaparasiten im Jahr 1995, das mit dem afrikanischen Trypanosom assoziierte Gen für die Resistenz gegen menschliches Serum im Jahr 1998 und der Chloroquin-Resistenz-Transporter des Malariaparasiten im Jahr 2000 sind nur einige Beispiele. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, Gene zu identifizieren, die an einem bestimmten Prozess von Interesse beteiligt sind. Die Entdeckung eines neuen und wichtigen Gens ist auch nur der erste Schritt in der Forschung, die darauf abzielt, die Funktion und das Potenzial als therapeutisches Ziel oder als Impfstoffkandidat vollständig zu verstehen. Die noch ausstehenden Herausforderungen sind jedoch genau das, was die technologische Innovation in den Biowissenschaften weiterhin antreibt.
Wie sieht es nun mit den einzelligen Trypanosomatiden aus, an denen wir in Dundee arbeiten? Diese hochbeweglichen, etwa 1/50 Millimeter langen Zellen werden durch blutsaugende Insekten von einem Säugetier zum anderen übertragen. Sie haben verheerende Auswirkungen auf die Armen in der Welt und verursachen die „vernachlässigten Tropenkrankheiten“ Afrikanische Trypanosomiasis, Chagas-Krankheit und die Leishmaniosen. Die Folgen dieser Krankheiten bei Mensch und Tier sind Hunderttausende von Todesfällen pro Jahr und etwa eine Million Fälle von entstellenden Hautläsionen im Zusammenhang mit der Leishmaniose pro Jahr. Trypanosomen schränken auch die Einfuhr von empfänglichen Pferden, Rindern, Schafen und Ziegen aus ganz Afrika stark ein.
Wir haben uns insbesondere auf afrikanische Trypanosomen konzentriert und sehen, dass antiparasitäre Anpassungen im Wirt und antiparasitäre Medikamente im „Wettrüsten“ zwischen uns und den Parasiten ständig vom Überholen bedroht sind. In der Hoffnung, in diesem Wettlauf die Oberhand zu gewinnen, haben wir einen genetischen Screening-Ansatz entwickelt, der es uns ermöglicht, jedes Parasitengen auf seine Rolle bei der Arzneimittelwirkung und der Arzneimittelresistenz zu untersuchen. Dabei wurden >50 neue Gene entdeckt, die mit klinisch eingesetzten Medikamenten in Verbindung stehen. Die Medikamente Nifurtimox und Eflornithin zum Beispiel werden häufig als Kombinationstherapie eingesetzt. Wir bestätigten, dass Nifurtimox durch ein Enzym des Parasiten in ein stärkeres Medikament umgewandelt wird, und fanden, wie auch unabhängig von anderen Gruppen berichtet, heraus, dass Eflornithin von einem Aminosäuretransporter des Parasiten aufgenommen wird.
Ein viel älteres Medikament, Suramin, wurde durch ein Oberflächenprotein des Parasiten in die Zelle eingeschleust. Dies war eine besonders befriedigende Entdeckung, denn Paul Ehrlich, der „Vater der Chemotherapie“, der vor über 100 Jahren sowohl die Hypothese der „magischen Kugel“ als auch die Vorläufer von Suramin entwickelte, erklärte: „Wenn wir einmal die Mehrzahl der Chemorezeptoren einer bestimmten Art von Parasiten kennen … werden wir weitreichende Möglichkeiten für den gleichzeitigen Angriff durch verschiedene Mittel haben“ (Ehrlich, 1913). Wir haben also einen von Ehrlichs „Chemorezeptoren“ gefunden, und das eröffnet in der Tat neue Möglichkeiten für die therapeutische Entwicklung.
Ein weiterer Befund betraf zwei weitere alte Medikamente, für die vor über 60 Jahren eine Kreuzresistenz gemeldet worden war. Diese Kreuzresistenz gegen Melarsoprol und Pentamidin wurde mit einem Defekt in einem Aquaglyceroporin, einem weiteren Transporter der Parasitenmembran, in Verbindung gebracht. Eine Resistenz gegen Melarsoprol, ein recht giftiges, aber ansonsten wirksames arsenhaltiges Medikament, war in einigen Gebieten bei bis zu 50 % der Patienten beobachtet worden. Teams, die resistente Parasiten aus ganz Afrika sammelten und lagerten, waren in der Lage, Defekte in diesem Transporter schnell zu identifizieren und bis Mitte der 1970er Jahre zurückzuverfolgen. Somit sind die genetischen Veränderungen, die es den Trypanosomen ermöglichten, dieser speziellen Therapie zu widerstehen, nun bekannt, die Auswirkungen dieser Veränderungen können im Detail untersucht werden, und die Ausbreitung und Verteilung resistenter Parasiten kann wirksam überwacht werden.
Es ist schon bemerkenswert, wie biologische Prozesse häufig auf unerwartete Weise experimentell zugänglich werden, wahrscheinlich weil wir über viele von ihnen noch so viel zu lernen haben. Das ist auch meine persönliche Erfahrung. Im Falle unserer eigenen Erkenntnisse waren es unsere Arbeiten zur DNA-Reparatur, die es uns ermöglichten, den oben beschriebenen genetischen Screening-Ansatz zu entwickeln. Außerdem war unsere ursprüngliche Motivation für die Entwicklung dieses Ansatzes der Wunsch, eine ganz andere Frage der Genexpression anzugehen; glücklicherweise konnten wir eine Zusammenarbeit mit Kollegen in die Wege leiten, die bereits ausgewiesene Experten auf dem Gebiet der Arzneimittelresistenz waren.
Klar ist, dass das Wissen darüber, wie Arzneimittel wirken und wie sie aufhören zu wirken, dazu beiträgt, die Aussichten für die Entwicklung wirksamerer und dauerhafterer Therapien zu verbessern, und auch die Aussichten für die Überwachung und Bekämpfung von Resistenzen verbessert, wenn diese auftreten. Als primär „Grundlagenforscher“ werden wir in Zusammenarbeit mit unseren Partnern in der Dundee Drug Discovery Unit unsere Bemühungen fortsetzen, die Biologie der Trypanosomatiden zu entdecken und zu entschlüsseln. In der Tat stehen jetzt Instrumente und Technologien zur Verfügung, um diese chemisch-biologischen Wechselwirkungen mit höherem Durchsatz als je zuvor zu untersuchen.
Da unsere Arbeit ständig auf der Arbeit und den Entdeckungen vieler Kollegen beruht – zu viele, um sie alle aufzuzählen -, möchte ich abschließend wiederholen, was wahrscheinlich ziemlich offensichtlich ist: Um gegen diese und andere menschliche und tierische Krankheitserreger etwas ausrichten zu können, bedarf es einer Gemeinschaft von Forschern, einer kritischen Masse, einer offenen Interaktion, der Zusammenarbeit und des Zugangs zu leistungsfähigen Technologien, sowohl auf der Ebene der Grundlagenforschung als auch der translationalen Forschung. Klar ist auch, dass Experimente mit Krankheitserregern weiterhin zu Erkenntnissen führen werden, die für die Biowissenschaften und darüber hinaus von weitreichender Bedeutung sind.
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https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001