Molekyylibiologina aloitat oppimalla DNA-koodin perusteet. Koodin lukeminen ja kääntäminen tulevat ensin, ja sitten voit siirtyä tekemään omaa huolellista muokkausta leikkaamalla ja liittämällä sekä kopioimalla ja liittämällä. Kun olet hankkinut nämä taidot, voit manipuloida geenejä, genomeja ja proteiineja tutkiaksesi, miten solut ”toimivat”, ja säätää niiden toimintatapaa. Näiden tekniikoiden teho, monipuolisuus ja kohtuuhintaisuus ovat parantuneet harppauksittain viime vuosina samaan aikaan tietotekniikan kehittymisen kanssa. Esimerkiksi DNA:n sekvensointi eli kyky ”lukea” koko genomi on nyt minkä tahansa kohtuullisen hyvin resursoidun tutkimusryhmän ulottuvilla.
Tekniikat ovat tärkeitä, mutta mielikuvituksen voi vangita se, mitä niillä tehdään. Keskeisten sairauksiin liittyvien geenien löytäminen, usein monta vuotta sen jälkeen, kun niiden toiminnan tai toimimattomuuden seuraukset ovat tiedossa, on ollut minulle henkilökohtaisesti inspiraation lähde. Muistan erityisesti lukeneeni kystisen fibroosin geenin tunnistamisesta vuonna 1989, kun aloitin tohtorintutkintoni, ja kuulleeni lihavuuteen liittyvän leptiinigeenin tunnistamisesta post doc -työni aikana vuonna 1995. Sitten huomasin, millainen vaikutus geenien löytämisellä voi olla omaan molekyyliparasiittiyhteisööni: malariaparasiitin var-geenit vuonna 1995, afrikkalaisen trypanosomin ihmisen seerumiresistenssiin liittyvä geeni vuonna 1998 ja malariaparasiitin klorokiiniresistenssin kuljettaja vuonna 2000 ovat vain muutamia esimerkkejä. On kuitenkin edelleen haastavaa tunnistaa geenit, jotka osallistuvat tiettyyn kiinnostavaan prosessiin. Uuden ja tärkeän geenin löytäminen on myös vasta ensimmäinen askel tutkimuksessa, jolla pyritään ymmärtämään täysin sen toimintaa ja potentiaalia esimerkiksi terapeuttisena kohteena tai rokotuskandidaattina. Jäljellä olevat haasteet ovat kuitenkin juuri niitä, jotka jatkossakin vauhdittavat teknologista innovaatiota biotieteissä.
Millainen on tilanne yksisoluisten trypanosomatidien loisten kohdalla, joiden parissa työskentelemme Dundeessa? Nämä erittäin liikkuvat, noin 1/50 millimetrin pituiset solut leviävät nisäkkäiden välillä verta imevien hyönteisten välityksellä. Niillä on tuhoisa vaikutus maailman köyhiin, sillä ne aiheuttavat ”laiminlyötyjä trooppisia tauteja”, afrikkalaista trypanosomiaasia, Chagasin tautia ja leishmaniaseja. Näiden ihmis- ja eläintautien seuraukset ovat satojatuhansia kuolemantapauksia vuosittain ja noin miljoona tapausta vuodessa, joissa iholeishmaniaasiin liittyy epämuodostumia aiheuttavia vaurioita. Trypanosomit myös rajoittavat vakavasti taudille alttiiden hevosten, nautojen, lampaiden ja vuohien tuontia Afrikkaan.
Olemme keskittyneet erityisesti afrikkalaisiin trypanosomeihin ja näemme, että isännän antiparasiittiset sopeutumiset ja antiparasiittiset lääkkeet ovat jatkuvasti uhattuina vanhentumisvaarassa ”asevarustelukilpailussa” välillämme loisten kanssa. Toivoen voivamme auttaa saamaan yliotteen tässä kilpailussa, sovelsimme geneettistä seulontamenetelmää, jonka avulla voimme tutkia jokaisen loisgeenin roolia lääkkeiden vaikutuksessa ja lääkeresistenssissä. Tämä paljasti >50 uutta geeniä, jotka liittyvät kliinisessä käytössä oleviin lääkkeisiin. Esimerkiksi lääkkeitä nifurtimoksi ja eflornitiini käytetään laajalti yhdistelmähoitona. Vahvistimme, että eräs loisen entsyymi muuntaa nifurtimoksin tehokkaammaksi lääkkeeksi, ja, kuten muutkin ryhmät ovat itsenäisesti raportoineet, havaitsimme, että eflornitiini kulkeutuu loisen aminohappokuljettajan kautta.
Paljon vanhemman lääkkeen, suramiinin, havaittiin kulkeutuvan soluun loisen pintaproteiinilla. Tämä oli erityisen tyydyttävä löytö, koska Paul Ehrlich, ”kemoterapian isä”, joka kehitti sekä ”taikaluotihypoteesin” että suramiinin esiasteet yli sata vuotta sitten, totesi: ”Kun kerran tunnemme suurimman osan tietynlaisen loisen kemoreseptoreista… meillä on pitkälle meneviä mahdollisuuksia hyökätä samanaikaisesti eri lääkeaineiden avulla” (Ehrlich, 1913). Löysimme siis yhden Ehrlichin ”kemoreseptoreista”, ja tämä todellakin tarjoaa uusia mahdollisuuksia terapeuttiseen kehitykseen.
Toinen löydös liittyi kahteen muuhun vanhaan lääkkeeseen, joiden ristiresistenssistä oli raportoitu yli 60 vuotta sitten. Tämä melarsoprolin ja pentamidiinin ristiresistenssi liittyi vikaan akvaglyseroporinissa, toisessa loisen kalvokuljettajassa. Melarsoprolille, melko myrkylliselle mutta muuten tehokkaalle arseenia sisältävälle lääkkeelle, oli joillakin alueilla havaittu resistenssiä jopa 50 prosentilla potilaista. Ryhmät, jotka keräsivät ja varastoivat vastustuskykyisiä loisia eri puolilta Afrikkaa, pystyivät nopeasti tunnistamaan tämän siirtimen viat ja jäljittämään ne 1970-luvun puoliväliin asti. Näin ollen geneettiset muutokset, joiden ansiosta trypanosomit pystyivät vastustamaan tätä tiettyä hoitoa, tunnetaan nyt, näiden muutosten vaikutusta voidaan tutkia yksityiskohtaisesti ja vastustuskykyisten loisten leviämistä ja levinneisyyttä voidaan seurata tehokkaasti.
On varsin hämmästyttävää, miten biologiset prosessit tulevat usein kokeellisesti lähestyttäviksi odottamattomilla tavoilla, luultavasti siksi, että meillä on vielä niin paljon opittavaa monista niistä. Tämä on ollut myös henkilökohtainen kokemukseni. Omien löydöksiemme osalta juuri DNA:n korjausta koskeva työmme mahdollisti edellä kuvatun geneettisen seulontamenetelmän kehittämisen. Lisäksi alkuperäinen motivaatiomme tämän lähestymistavan kehittämiseksi oli halu käsitellä täysin erilaista geeniekspressiokysymystä; onneksi pystyimme aloittamaan yhteistyön kollegojen kanssa, jotka olivat jo vakiintuneita lääkeresistenssin asiantuntijoita.
Selvää on, että se, että kun tiedetään, miten lääkkeet toimivat ja miten ne lakkaavat toimimasta, auttaa parantamaan mahdollisuuksia suunnitella tehokkaampia ja kestävämpiä hoitomuotoja, ja parantaa myös mahdollisuuksia valvoa ja puuttua resistenssiin, kun sitä ilmenee. Ensisijaisesti ”perustutkijoina”, jotka työskentelevät Dundeen lääketutkimusyksikön yhteistyökumppaneiden kanssa, jatkamme ponnisteluja löytääksemme ja analysoidaksemme trypanosomatidien lääkkeisiin soveltuvaa biologiaa. Nyt on todellakin olemassa välineitä ja teknologioita, joiden avulla näitä kemiallis-biologisia vuorovaikutuksia voidaan tutkia suuremmalla läpimenoteholla kuin koskaan aikaisemmin.
Koska työmme perustuu jatkuvasti monien kollegojen työhön ja löytöihin – valitettavasti liian monien mainitsematta – päätän tutkimukseni toistamalla sen, mikä lienee melko itsestään selvää: näiden ja muiden ihmisten ja eläinten taudinaiheuttajien torjunta edellyttää tutkijoiden yhteisöä, kriittistä massaa, avointa vuorovaikutusta, yhteistyötä ja tehokkaiden teknologioiden saatavuutta sekä perustutkimuksen että translationaalisen tutkimuksen tasoilla. Selvää on myös se, että patogeeneillä tehtävät kokeet tuottavat jatkossakin oivalluksia, joilla on paljon laajempaa merkitystä biotieteissä ja niiden ulkopuolella.
- PowerPoint-dia
- suurempi kuva
- alkuperäinen kuva
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001