Som molekylärbiolog börjar du med att lära dig grunderna i DNA-koden. Att läsa och översätta koden kommer först, och sedan kan du gå över till att göra din egen noggranna redigering med hjälp av klipp och klistra och kopiera och klistra in. När du har förvärvat dessa färdigheter kan du manipulera gener, genomer och proteiner för att undersöka hur cellerna ”fungerar” och för att justera deras sätt att arbeta. Dessa teknikers kraft, mångsidighet och prisvärdighet har förbättrats med stormsteg under de senaste åren, parallellt med förbättringarna inom informationstekniken. Till exempel är DNA-sekvensering, eller förmågan att ”läsa” ett helt genom, nu tillgänglig för alla forskargrupper med rimliga resurser.
Teknikerna är viktiga, men det är verkligen vad man gör med dem som kan fånga fantasin. Upptäckten av viktiga sjukdomsassocierade gener, ofta många år efter det att man känner till konsekvenserna av deras agerande eller passivitet, har varit en källa till inspiration för mig personligen. Jag minns särskilt att jag läste om identifieringen av cystisk fibros genen 1989, när jag påbörjade min doktorsexamen, och att jag hörde om identifieringen av leptingenen, som är kopplad till fetma, när jag var postdoktor 1995. Sedan såg jag vilken inverkan genupptäckter kunde ha på min egen molekylära parasitologi: malariaparasitens var-gener 1995, den afrikanska trypanosomens humana serumresistensassocierade gen 1998 och malariaparasitens klorokinresistenta transportör 2000 är bara några exempel. Det är dock fortfarande en utmaning att identifiera gener som är involverade i en särskild process av intresse. Upptäckten av en ny och viktig gen är också bara det första steget i den forskning som syftar till att fullt ut förstå funktionen och potentialen som t.ex. ett terapeutiskt mål eller en vaccinationskandidat. De utestående utmaningarna är dock precis det som fortsätter att driva på den tekniska innovationen inom biovetenskaperna.
Hur ser situationen ut för de encelliga trypanosomatidparasiterna som vi arbetar med i Dundee? Dessa mycket rörliga celler, som är ungefär 1/50 av en millimeter långa, sprids mellan däggdjur genom blodsugande insekter. De har en förödande inverkan på världens fattiga och orsakar de ”försummade tropiska sjukdomarna” afrikansk trypanosomiasis, Chagas sjukdom och leishmanias. Konsekvenserna av dessa sjukdomar hos människor och djur är hundratusentals dödsfall varje år och omkring en miljon fall per år av de vanställda skador som förknippas med kutan leishmaniasis. Trypanosomer begränsar också allvarligt importen av mottagliga hästar, nötkreatur, får och getter över hela Afrika.
Vi har fokuserat på afrikanska trypanosomer i synnerhet och ser att antiparasitära anpassningar i värden och antiparasitära läkemedel ständigt hotas av föråldring i ”kapprustningen” mellan oss och parasiterna. I hopp om att kunna hjälpa till att vinna övertaget i denna kapplöpning har vi anpassat en genetisk screeningmetod som gör det möjligt för oss att undersöka varje parasitgen för att se om den spelar någon roll för läkemedelsverkan och läkemedelsresistens. Detta avslöjade >50 nya gener som är kopplade till kliniskt använda läkemedel. Läkemedlen nifurtimox och eflornitin, till exempel, används ofta som kombinationsbehandling. Vi bekräftade att nifurtimox omvandlas till ett mer potent läkemedel av ett parasitens enzym och, vilket också rapporterats oberoende av andra grupper, fann vi att eflornitin tas upp av en aminosyretransportör hos parasiten.
Ett mycket äldre läkemedel, suramin, visade sig lifta in i cellen på ett parasitens ytprotein. Detta var en särskilt tillfredsställande upptäckt eftersom Paul Ehrlich, ”kemoterapins fader”, som utvecklade både hypotesen om den ”magiska kulan” och föregångarna till suramin för över 100 år sedan, konstaterade: ”När vi en gång har lärt känna majoriteten av kemoreceptorerna hos en viss typ av parasit … kommer vi att ha långtgående möjligheter till samtidiga attacker med olika medel” (Ehrlich, 1913). Vi har alltså hittat en av Ehrlichs ”kemireceptorer”, och detta ger verkligen nya möjligheter till terapeutisk utveckling.
Ett annat fynd gällde ytterligare två gamla läkemedel för vilka korsresistens hade rapporterats för över 60 år sedan. Denna korsresistens mot melarsoprol och pentamidin var kopplad till en defekt i ett akvaglyceroporin, en annan parasitmembrantransportör. Resistens mot melarsoprol, ett ganska giftigt men i övrigt effektivt arsenikinnehållande läkemedel, hade observerats hos upp till 50 % av patienterna i vissa områden. Grupper som samlade in och lagrade resistenta parasiter från hela Afrika kunde snabbt identifiera defekter i denna transportör och spåra dem tillbaka till mitten av 1970-talet. Således är de genetiska förändringar som gjorde det möjligt för trypanosomer att motstå denna särskilda behandling nu kända, effekterna av dessa förändringar kan undersökas i detalj och spridningen och distributionen av resistenta parasiter kan övervakas på ett effektivt sätt.
Det är ganska anmärkningsvärt hur biologiska processer ofta blir experimentellt tillgängliga på oväntade sätt, förmodligen för att vi fortfarande har så mycket att lära oss om många av dem. Detta har också varit min personliga erfarenhet. När det gäller våra egna upptäckter var det vårt arbete med DNA-reparation som gjorde det möjligt för oss att utveckla den metod för genetisk screening som beskrivs ovan. Dessutom var vår ursprungliga motivation för att utveckla denna metod en önskan att ta itu med en helt annan fråga om genuttryck; lyckligtvis kunde vi inleda ett samarbete med kollegor som redan var etablerade experter på läkemedelsresistens.
Vad som står klart är att kunskap om hur läkemedel fungerar och hur de slutar att fungera bidrar till att förbättra utsikterna för att utforma effektivare och hållbarare terapier, och förbättrar också utsikterna för att övervaka och ta itu med resistens när den uppstår. Som i första hand ”grundforskare” kommer vi i samarbete med partner inom Dundee Drug Discovery Unit att fortsätta våra ansträngningar för att upptäcka och dissekera den biologiska processen hos trypanosomatiderna som kan användas för att ta fram läkemedel. Det finns nu faktiskt verktyg och teknik som gör det möjligt att undersöka dessa interaktioner mellan kemikalier och biologi med högre genomströmning än någonsin tidigare.
Då vårt arbete kontinuerligt är beroende av många kollegers arbete och upptäckter – tyvärr för många för att nämna dem – avslutar jag med att upprepa det som förmodligen är ganska uppenbart: för att få genomslagskraft mot dessa och andra patogener hos människor och djur krävs det ett forskarsamhälle, en kritisk massa, öppen interaktion, samarbete och tillgång till kraftfull teknik, på både grundläggande och translationell nivå. Vad som också är klart är att experiment med patogener kommer att fortsätta att ge insikter av mycket bredare relevans för biovetenskaperna och bortom dem.
- PowerPoint-bild
- större bild
- originalbild
https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005430.g001