Jako biolog molekularny, zaczynasz od poznania podstaw kodu DNA. Najpierw trzeba przeczytać i przetłumaczyć kod, a potem można przejść do własnej, starannej edycji za pomocą wytnij i wklej oraz kopiuj i wklej. Po zdobyciu tych umiejętności można manipulować genami, genomami i białkami, aby zbadać, jak „działają” komórki i dostosować sposób ich działania. Moc, wszechstronność i przystępność tych technik poprawiły się skokowo w ostatnich latach, równolegle z postępem w technologiach informacyjnych. Na przykład sekwencjonowanie DNA, czyli możliwość „odczytania” całego genomu, jest obecnie dostępne dla każdego rozsądnie wyposażonego zespołu badawczego.
Techniki są ważne, ale to, co się z nimi robi, może zawładnąć wyobraźnią. Odkrycie kluczowych genów związanych z chorobami, często wiele lat po konsekwencjach ich działania lub braku działania, są znane, było źródłem inspiracji dla mnie osobiście. W szczególności przypominam sobie, jak w 1989 roku, rozpoczynając studia doktoranckie, czytałem o identyfikacji genu mukowiscydozy, a w 1995 roku, jako post-doc, usłyszałem o identyfikacji genu leptyny, związanego z otyłością. Następnie zobaczyłem, jaki wpływ może mieć odkrycie genów na moją własną społeczność zajmującą się parazytologią molekularną: geny var pasożyta malarii w 1995 roku, gen związany z opornością trypanosa afrykańskiego na surowicę ludzką w 1998 roku i transporter oporności pasożyta malarii na chlorochinę w 2000 roku to tylko kilka przykładów. Nadal jednak wyzwaniem pozostaje identyfikacja genów zaangażowanych w konkretny, interesujący nas proces. Odkrycie nowego i ważnego genu to także dopiero pierwszy krok w badaniach mających na celu pełne zrozumienie jego funkcji i potencjału, np. jako celu terapeutycznego lub kandydata do szczepionki. Pozostające wyzwania są jednak dokładnie tym, co nadal napędza innowacje technologiczne w naukach przyrodniczych.
Jak więc wygląda sytuacja jednokomórkowych pasożytów trypanosomatycznych, nad którymi pracujemy w Dundee? Te wysoce ruchliwe komórki, o długości około 1/50 milimetra, są rozprzestrzeniane pomiędzy ssakami przez owady wysysające krew. Mają one niszczycielski wpływ na biednych ludzi na świecie, powodując „zaniedbane choroby tropikalne”: trypanosomatozę afrykańską, chorobę Chagasa i leiszmaniozę. Konsekwencją tego szeregu chorób ludzi i zwierząt są setki tysięcy zgonów rocznie i około miliona przypadków rocznie szpecących zmian związanych z leiszmaniozą skórną. Trypanosomy również poważnie ograniczyć import podatnych koni, bydła, owiec i kóz w całej Afryce.
Skupiliśmy się na afrykańskich trypanosomów w szczególności i zobaczyć, że przeciwpasożytnicze adaptacje w żywiciela i leki przeciwpasożytnicze są stale zagrożone przez przestarzałości w „wyścigu zbrojeń” między nami a pasożytami. W nadziei, że pomożemy zdobyć przewagę w tym wyścigu, zaadaptowaliśmy genetyczne podejście przesiewowe, które pozwala nam badać każdy gen pasożyta pod kątem roli w działaniu leków i oporności na leki. W ten sposób odkryliśmy >50 nowych genów związanych z lekami stosowanymi klinicznie. Na przykład, leki nifurtimox i eflornityna są szeroko stosowane jako terapia skojarzona. Potwierdziliśmy, że nifurtimox jest przekształcany w silniejszy lek przez enzym pasożyta i, jak również zgłoszone niezależnie przez inne grupy, odkryliśmy, że eflornityna jest pobierana przez pasożytniczy transporter aminokwasów.
Znacznie starszy lek, suramina, został znaleziony, aby zaprzęgnąć-a-ride do komórki na białku powierzchni pasożyta. Było to szczególnie satysfakcjonujące odkrycie, ponieważ Paul Ehrlich, „ojciec chemioterapii”, który opracował zarówno hipotezę „magicznej kuli”, jak i prekursorów suraminy ponad 100 lat temu, stwierdził: „Kiedy już poznamy większość chemioreceptorów danego rodzaju pasożyta… będziemy mieli daleko idące możliwości jednoczesnego ataku przez różne agencje” (Ehrlich, 1913). Tak więc, znaleźliśmy jeden z „chemioreceptorów” Ehrlicha, a to rzeczywiście przedstawia nowe możliwości rozwoju terapeutycznego.
Inne odkrycie związane z dwoma starymi lekami, dla których oporność krzyżowa została zgłoszona ponad 60 lat temu. Oporność krzyżowa na melarsoprol i pentamidynę była związana z defektem w akwagliceroporynie, innym transporterze błonowym pasożytów. Oporność na melarsoprol, dość toksyczny, ale skądinąd skuteczny lek zawierający arsen, była obserwowana do 50% pacjentów w niektórych rejonach. Zespoły, które zbierały i przechowywały odporne pasożyty z całej Afryki były w stanie szybko zidentyfikować defekty w tym transporterze i prześledzić ich pochodzenie od połowy 1970 roku. Tak więc zmiany genetyczne, które pozwoliły trypanosomom oprzeć się tej szczególnej terapii są teraz znane, wpływ tych zmian może być szczegółowo zbadany, a rozprzestrzenianie i dystrybucja odpornych pasożytów może być skutecznie monitorowana.
To dość niezwykłe, jak procesy biologiczne często stają się eksperymentalnie dostępne w nieoczekiwany sposób, prawdopodobnie dlatego, że wciąż mamy tak wiele do nauczenia się o wielu z nich. To było również moje osobiste doświadczenie. W przypadku naszych własnych odkryć, to właśnie nasza praca nad naprawą DNA pozwoliła nam na opracowanie opisanej powyżej metody przesiewowych badań genetycznych. Na szczęście udało nam się nawiązać współpracę z kolegami, którzy byli już uznanymi ekspertami w dziedzinie oporności na leki.
Jasne jest, że wiedza o tym, jak działają leki i jak przestają działać, pomaga poprawić perspektywy opracowania bardziej skutecznych i trwałych terapii, a także poprawia perspektywy monitorowania i zwalczania oporności, gdy się pojawi. Jako głównie „badacze podstawowi”, współpracujący z partnerami z Dundee Drug Discovery Unit, będziemy kontynuować nasze wysiłki w celu odkrycia i przeanalizowania biologii trypanosomatidów, które można leczyć. Rzeczywiście, narzędzia i technologie są obecnie dostępne, aby zbadać te chemiczno-biologiczne interakcje z większą wydajnością niż kiedykolwiek wcześniej.
Ponieważ nasza praca stale opiera się na pracy i odkryciach wielu kolegów – zbyt wielu, aby wymienić, obawiam się, że kończę powtarzając to, co jest prawdopodobnie dość oczywiste: wpływ na te i inne ludzkie i zwierzęce patogeny wymaga społeczności badaczy, masy krytycznej, otwartej interakcji, współpracy i dostępu do potężnej technologii, zarówno na poziomie podstawowym, jak i translacyjnym. Jasne jest również to, że eksperymenty z patogenami będą nadal przynosić spostrzeżenia o znacznie szerszym znaczeniu dla nauk przyrodniczych i nie tylko.
- slajd PowerPoint
- większy obraz
- obraz oryginalny
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001
.