Gyilkos Achilles-ínja - Universit; t Heidelberg
Az alvási betegséget - egy alattomos betegséget, amely embereket és állatokat sújt Afrika és Dél-Amerika nagy részén - egy apró parazita okozza, amelyet a cirmos légy továbbít. Áldozatainak testében a parazita behatol az agyba, és tipikus tüneteket okoz, amelyek a betegség nevét adják. A mai napig nincs oltóanyag és kevés hatékony gyógyszer. Christine Clayton, a Heidelbergi Egyetem (ZMBH) Molekuláris Biológiai Központjának munkatársa leírja, hogy az alapkutatók hogyan értik meg a parazita biológiáját. Minél jobban megismered őt, annál közelebb kerülsz a célodhoz: Meg akarod találni a rosszindulatú gyilkos "Achilles-ínjét", aki eddig szinte elkerülhetetlen, lassú halált okozott áldozatainak.
A betegek abbahagyják az evést, drámai módon fogynak és ismételten érzéstelenítő szerű álomba merülnek. A sajátos álmosság annak a betegségnek a jellemző jele, amely - különösen a 20. század elején - Afrika nagy részén pusztított, és klasszikus tünete után "alvási betegségnek" nevezték el. Ma is Afrikában és Dél-Amerikában az embereket és az állatokat sújtja a többnyire halálos kimenetelű fertőző betegség. A betegséget egy kicsi parazita, az úgynevezett tripanoszóma okozza, amelyet a tetszelégyek közvetítenek. Ha a parazita a vérbe kerül és ott elszaporodik, akkor a betegség először lázrohamokkal válik észrevehetővé. Később, a chonikus fázisban, amelynek során a paraziták behatolnak az agyba, a tartós álmosság klasszikus tünete jelentkezik.
Jelenleg csak néhány gyógyszer képes gyógyítani az alvási betegség korai szakaszát. Csak egy gyógyszer - a melarszoprol, amely arzént tartalmaz - továbbra is megtámadhatja a parazitát, miután megfertőzte az agyat. Egy második gyógyszer, amely agyi stádiumban hatékony lehet, túl drága a betegség által érintett lakosság számára. Szinte minden gyógyszer, különösen a melarszoprol, nagyon mérgező. Időközben bebizonyosodott az ellenállás is, ami azt jelenti, hogy a parazitának sikerült ellenállnia a gyógyszer hatásainak. Az alvásbetegség - "tripanoszomiasis" - elleni oltások kifejlesztésére irányuló minden kísérlet eddig sikertelen volt. Ezért sürgősen új stratégiákat kell kidolgozni, amelyek hatékonyabb terápiás intézkedésekhez vezetnek az alattomos kórokozó ellen.
Az afrikai trippanoszómák a paraziták családjába tartoznak, amelyek más trópusi betegségeket is okoznak. Az afrikai trypanosomiasis és a kapcsolódó amerikai trypanosomiasis (úgynevezett Chagas-betegség) és a leishmaniasis előfordulása nagy; Szudánban és Angolában például több faluban szinte minden második lakos tripánoszómával fertőzött. Orvosi ellátás nélkül az emberek többnyire lassú halálra vannak ítélve.
A kórokozók - akár vírusok, baktériumok vagy paraziták - elleni gyógyszerek mindig a kórokozók és a "gazdájuk" (emberek vagy állatok) között fennálló különbségeket alkalmazzák. Ez viszonylag könnyű a baktériumokkal, mert sok szempontból különböznek a gazdától. A tripanoszómák azonban "eukarióták", ami azt jelenti, hogy alapszerkezetük hasonló az emberi sejtekhez. A parazita genetikai anyaga (DNS) például olyan, mint az emberi sejteké, amelyet membrán (a sejtmag) zár körül; a trippanoszómákban számos sejtszintű folyamat szinte megegyezik az emberi sejtekben lejátszódó folyamatokkal. Hatékonyabb gyógyszerek kifejlesztése érdekében pontosan meg kell határoznunk a tripanoszóma sejtek és az emberi sejtek közötti különbségeket, majd meg kell próbálnunk specifikusan gátolni a parazita specifikus funkcióit. Heidelbergi laboratóriumunkban ezért intenzíven keressük azokat a belső parazitákat, amelyek minden tripánoszómának és leishmániának vannak - de az emberi sejteknek nem. Reméljük, hogy olyan új célpontokat fogunk azonosítani, amelyeket a gyógyszerek (kemoterápiás szerek) hatékonyan megcélozhatnak.
Hogyan talál ilyen parazita-specifikus, terápiás szempontból sebezhető célpontokat? A vérben a trippanoszóma környéke tápanyagokban gazdag és szaporodásának kedvez - de a paraziták számára korántsem ártalmatlan. A veszély az immunrendszerből származik. Mivel a tripanoszómák szabadon úszkálnak és eloszlanak a testben, gyakran találkoznak az immunrendszer sejtjeivel. Körülbelül egy héttel a fertőzés után a gazdaszervezet valóban elegendő "védekező csapatot" mozgósított a behatoló parazita ellen. A trypanosoma azonban kifejlesztett egy olyan rendszert, amellyel sikerül megszabadulnia az immunsejtektől és mechanizmusoktól: a parazita reprodukciója során gyorsan megváltoztatja külső "fehérjebevonatát", így teljesen más felület jön létre. Az immunrendszer mobilizált sejtjei már nem ismerik fel ezt az új "köpenyt". Mivel a paraziták körülbelül 1000 különböző rétegbe (= felszíni fehérjébe) képesek öltözködni, és a parazitában bekövetkező genetikai változások további alapvető változásokat okoznak, az immunrendszer nem tehet semmit a fenyegetés ellen. A betegség ezért kemoterápia nélkül mindig végzetes.
Okos génváltók
Felszíni palástjuk állandó változása lehetővé teszi a tripánoszómák számára, hogy tápanyagban gazdag környezetüket "zavartalanul" használják. A vérfolyadék oxigént, az élet különféle építőköveit, de mindenekelőtt sok glükózt tartalmaz. Ahhoz, hogy a sejten belüli energia felhasználható legyen, bizonyos kémiai formákban kell tárolni; a sejt legfontosabb "energiavalutája" az ATP (adenozin-tri-foszfát). Egyes emberi sejtek körülbelül 20 ATP-molekulát képesek előállítani egy glükózmolekulából. A vérben lévő trippanoszómák viszont csak két ATP-molekulát nyernek glükózmolekulánként. És itt van egy fontos különbség a parazita és gazdája között: az enzimek, amelyek a glükóz kémiai átalakulását ATP-vé alakítják, teljesen másképpen szerveződnek és kontrollálódnak a tripánoszómákban és rokonaikban, mint más élőlényekben. A paraziták ezen jellemzője az egyik legfontosabb kutatási projektünk.
Az energiát különféle enzimek generálják, amelyek mindegyike egy sejten belül kis terekbe (rekeszekbe) van csomagolva. A trippanoszómák enzimlánca nagyon egyszerű. Belgium és Hollandia biokémikusai és matematikusai tehát számítógépes modellel tudták szimulálni a teljes enzimatikus folyamatot. Ezekkel a kollégákkal azon dolgozunk, hogy ellenőrizzük a genetikai matematikai modelleket.
Ezekhez a vizsgálatokhoz speciális genetikai eljárást alkalmazunk, amelyet kifejezetten erre a célra fejlesztettünk ki. Ez lehetővé teszi számunkra a gének be- és kikapcsolását, hogy meghatározzuk azok működését. Az eredmények segítenek azonosítani azokat az enzimeket, amelyek különösen fontos szerepet játszanak a glükóz lebontásának sebességének szabályozásában. Ezek az enzimek a trypanosomiasis új gyógyszerterápiájának lehetséges célpontjai lehetnek.
Mint a szinte minden eukarióta sejt, a trippanoszómák mindegyikének két példánya van genetikai felépítéséből. A tripánoszómákat úgy változtatjuk meg, hogy azok csak egy bizonyos gén egy példányát tartalmazzák. Ezt az egyetlen példányt úgy változtatjuk meg a folyamatunkkal, hogy a gén klasszikus antibiotikum (tetraciklin) hiányában teljesen "kikapcsolva" marad. Ha azonban kis mennyiségű tetraciklint ad hozzá, akkor a szabályozó kapcsoló egy kicsit aktiválható, és a gén olvashat egy kicsit. A gén nagyobb mennyiségű tetraciklinnel teljes mértékben aktiválható. Ennek a módszernek az az előnye, hogy meghatározhatjuk a parazita bizonyos géntermékeinek (= bizonyos fehérjék) működését a teszt állatokban (egerekben): Az állatokat először genetikailag módosított tripánoszómákkal fertőzik meg, majd az ivóvízzel tetraciklint adnak a génváltás aktiválásához, a leírás szerint aktiválni és meghatározni a gén működését.
Észrevehető hulladék
Egy másik parazita-specifikus sajátosság a tripánoszómák által a génjeik utasításai szerint előállított fehérjékkel fenntartott "kezeléssel" kapcsolatos. Mivel a trippanoszómáknak alkalmazkodniuk kell gazdájuk testének sok megváltozott környezeti feltételéhez, sok új fehérjét is szintetizálniuk kell, míg másokra - más környezetben fontos fehérjékre - már nincs szükség. Ezen körülmények kezelésére a paraziták különösen pazarló rendszert fejlesztettek ki. A föld szinte minden szervezetében - mind az emberek, mind a baktériumok - kikapcsolódnak azok a gének, amelyeknek termékeire már nincs szükség. Csak akkor kapcsoljuk be újra a gént, ha a megfelelő géntermékre ismét szükség van.
A tripánoszómákkal nem. Egyszerre szintetizálják az összes RNS-ét, majd eldobják azt, amire már nincs szükségük. Mintha az étteremben egy séf elkészítené mindazokat az ételeket, amelyek az étlapon minden nap ugyanabban az időben szerepelnek, majd egyszerűen eldobják a nem megrendelt ételeket. Ez az RNS-hulladék szintén jelentős különbség a parazita és a gazdasejt között, amelyet a laboratóriumban megpróbálunk megérteni.
A fehérjék olyan láncok, amelyek 20 különböző építőelemből, az aminosavakból állnak. A lánc hossza és egyes aminosavak összetétele meghatározza a fehérje tulajdonságait. Azok a gének, amelyek bizonyos aminosavakból meghatározzák a fehérjék szerkezetét, négy különböző nukleotidból állnak, amelyeket A, G, C és T betűkkel jelölnek. Ezen nukleotidok három kombinációja, mint például az AGC vagy az AGT, egy-egy aminosavat kódol. Annak érdekében, hogy egy fehérje összeálljon az aminosavakból, az érte felelős gének átmásolódnak az úgynevezett "messenger RNS" -be. A messenger RNS-nek megvan az az előnye, hogy speciális pórusokon keresztül elhagyhatja a magot. A sejtmagon kívül, a sejtplazmában meghatározott aminosav-szekvenciájú fehérjék összegyűjtésére szolgál.
Ha képzeletbeli séfünk folyamatosan tele, de rendezetlen tányérokkal tölti büféjét, a kereslet nagyon függ az érdeklődő vásárlók számától és éhségétől. Hasonló a helyzet a sejtben lévő RNS mennyiségével. Bár a messenger RNS mennyisége általában a termelés sebességétől függ, lebomlása szintén fontos lehet a sejtben jelenlévő RNS mennyisége szempontjából - ezért a termeléshez hasonlóan ellenőrizni kell. Emberben az RNS ezen szabályozott lebontása különösen fontos a sejtek növekedésének kordában tartása érdekében: sok RNS-molekula, amely a növekedést szabályozó fehérjéket kódolja, nagyon instabil és csak rövid életű. De ha a kontroll hiánya miatt hosszú életűvé válnak, akkor rákos sejt alakulhat ki.
Mi és más kutató kollégák intenzíven tanulmányozták a génexpresszió szabályozását (a génben található fehérje - kódolt információjának leolvasását és ezt követő transzlációját) a trippanoszómákban. Felfedeztük, hogy sok gént egymás után másolnak hosszú RNS-molekulákba, és csak ezután vágják fel egyes komponensekre. Csak a folyamat után vannak a trippanoszómák RNS-molekulái, amelyek hasonlóak a többi sejtmaggal rendelkező sejtekhez. A sejtben található RNS mennyiségét csak a trippanoszómákban lehet szabályozott lebontással meghatározni - a termelést semmilyen ellenőrzés nem érinti.
A messenger RNS kezdete általában oly módon módosul (védő = védő módosítás), hogy az érte felelős enzimek általi lebomlást sokáig ellenálljon. Ellenkező végénük a magozott sejtek RNS-molekuláinak mindig van egy jellegzetes "farka", amely az "A" bázis körülbelül 200 ismétléséből áll. A messenger RNS molekulák többségét egy specifikus enzim támadja meg ezen az "A-farokon". Csak akkor, ha az A-farok nagyon rövid, az enzimek megtámadják és megemésztik az RNS kezdetét. Egy másik specifikus enzim először eltávolítja a védőmódosítást a molekula elején, ekkor az RNS további enzimatikus lebontáshoz hozzáférhető és nagyon gyorsan teljesen elpusztul. Annak érdekében, hogy egy ilyen hírvivő RNS élettartama ily módon ellenőrizhető legyen, először a teljes RNS szekvenciáját fel kell ismernie egy specifikus fehérjével. Az ilyen fehérjék ezután stimulálják vagy gátolják azokat az enzimeket, amelyek az első oldódási lépést és ezt követően az A-farok egymást követő lebomlását okozzák.
A degradáció második stratégiája egy támadással kezdődik a messenger RNS molekula közepén. Egy specifikus enzim felismeri az RNS-t és felezi azt, amelyet a molekula mindkét végéből történő emésztés követ. Egy második fehérje irányítja a lebomlás ezen útját: felismeri a hasítási helyet, kötődik hozzá, és így megvédi az RNS-t az enzimek általi lebontástól.
A trippanoszómákkal végzett munkánk jelenleg pusztán alapkutatás. Reméljük, hogy a tripanoszómák összetett biológiájának megértésére kidolgozott módszerek és az ezekkel kapott eredmények a jövőben sikeresebben segítenek a trópusi alvásbetegség, valamint a leishmaniasis és a Chagas-betegség leküzdésében.