Szczegółowa mapa genetyczna ujawnia istotny gen pasożyta malarii

Zdjęcie: Freepik

Malaria dotyka ok. 249 milionów ludzi rocznie, powodując ponad 600 tys. zgonów. Odporność na lekarstwa dotyczy już wszystkich środków leczniczych przeciwko malarii. Choroba rozprzestrzenia się głównie poprzez ugryzienia żeńskich osobników anopheles (widliszków) – komarów zarażonych Plasmodium (zarodźcem).

Spośród 5 różnych pasożytów wywołujących malarię u ludzi, Plasmodium falciparum (zarodziec sierpowaty) jest najczęstszą przyczyną zgonów wywołanych malarią w Afryce, natomiast Plasmodium vivax (zarodziec ruchliwy) zbiera żniwo w południowej Azji. Podczas badań naukowcy skupili się na pasożycie knowlesi, który jest najbardziej zbliżony do pasożyta vivax i bardziej podatny na badania laboratoryjne. Plasmodium to pasożyt potrzebujący żywiciela, musi żyć w jego ciele. Dlatego naukowcy musieli go wyhodować w krwinkach czerwonych (Plasmodium vivat żyje tylko w niedojrzałych komórkach krwi, które są praktycznie niemożliwe do wyhodowania w laboratorium).

By odkryć, które geny P. knowlesi są niezbędne do przetrwania pasożyta, obie grupy naukowców wykorzystały mutagenezę umiarkowaną – proces pozwalający na wprowadzenie zmian w genomie poprzez wprowadzenie ruchomych elementów genetycznych (transpozonów) by zobaczyć, czy pasożyt przeżyje, czy nie. Śmierć pasożyta oznaczałaby, że zmieniony gen był niezbędny do jego przeżycia.

P. knowlesi jest szczególnie podatny na tę technikę mutagenezy, więc naukowcy byli w stanie wprowadzić ogromną liczbę mutacji do genomu. Grupa z Bostonu wprowadziła 1,456,750 różnych transpozonów, natomiast grupa z Tampa 176,823 transpozonów. Ta ogromna ilość wprowadzonych zmian oznacza, że osiągnęli bardzo wysoki poziom pewności o uszkodzeniu każdego genu, nawet najmniejszego, jak wyjaśnia Manoj Duraisingh, immunolog Harvard T.H. Szkoły Zdrowia Publicznego Chan (Harvard T.H. Chan School of Public Health) i współautor badań grupy z Bostonu.

Właściwie, wysoki poziom wprowadzonych zmian pozwolił nawet naukowcom odkryć, które części danego genu są niezbędne do przeżycia, a które nie. „Jest to całkiem przydatne kiedy obserwujesz białko mające wiele domen”, wspomina Duraisingh. Grupa z Bostonu zidentyfikowała również geny ważne dla kondycji pasożytów, które

nie były jednak niezbędne do ich dalszego życia – co oznacza, że mutacje zmniejszyły populację pasożytów. „Pasożyty o niskiej sprawności mogą być zwalczane przez środki lecznicze, jeśli proliferacja zostanie wystarczająco ograniczona”, mówi Zarringhalam.

David Fidock, mikrobiolog i immunolog Uniwersytetu Kolumbijskiego, który nie brał udziału w badaniach nazwał je „ogromnym przełomem”. Twierdzi, że prace pomogą w opracowaniu cząsteczek zabijających pasożyty.

Obie grupy naukowców działały niezależnie, ale wiedziały o swojej pracy – zdecydowały się więc na wspólne przesłanie swoich artykułów bez wzajemnego wglądu w swoje dane, jak wyjaśnia Jenna Oberstaller, postdoc na Uniwersytecie Południowej Florydy i główna autorka badań w Tampa. Działania dwóch zespołów określa jako „fajny, mały eksperyment replikacyjny”.

Jednakże, w ich metodach badań było kilka różnic. Grupa z Bostonu wyhodowała pasożyty w czerwonych krwinkach makaka królewskiego, podczas gdy grupa z Tampa użyła do badań ludzkich krwinek czerwonych. Również sposób zastosowania danych różnił się w obu zespołach.

Grupa z Bostonu skupiła się na potencjalnych celach leków w pasożycie P. knowlesi i innych gatunkach Plasmodium. Chociaż zidentyfikowali oni pewne geny występujące u P. knowlesi, P. falciparum and P. berghei, znaleźli również kilka znaczących różnic, m.in.: większa zależność od cyklu Krebsa (inaczej zwanego cyklem kwasu cytrynowego) będącego częścią szlaku metabolicznego u P. knowlesi w porównaniu z innymi gatunkami pasożytu. Może to oznaczać wyższą podatności P. knowlesi na lekarstwa zwalczające malarię.

Udało im się również dokładnie określić, które geny mogą być odpowiedzialne za odporność pasożytów na istniejące lekarstwa. „Perturbowaliśmy pasożyty wieloma znanymi lekami przeciw malarii i kilkoma nowymi, a podczas analizy zidentyfikowano kilka nowych genów zwiększających swoją wrażliwość na leczenie”, wyjaśnia Kourosh Zarringhalam, biolog obliczeniowy na Uniwersytecie Bostońskim w Massachusetts i współautor badań grupy z Bostonu. Geny te stanowią potencjalne cele dla leków, które można połączyć z obecnymi metodami leczenia.

Grupa naukowców z Tampa porównała swoje dane z danymi dotyczącymi pozostałych gatunków pasożyta Plasmodium. W porównaniu do P. falciparum, którego geny pokrywają się w 90% z genami P. knowlesi, naukowcy spodziewali się istotności podobnych genów, jak mówi Oberstaller. Jednakże okazało się, że wiele genów niezbędnych dla jednego gatunku, nie są tak potrzebne innemu. Niestety, według Oberstaller ta różnica sprawia, że trudniej jest wynaleźć lek przeciwdziałającym wszystkim gatunkom pasożytu.

Chociaż obie grupy porównywały swoje wyniki w oparciu o już istniejące badania, Fidock i Duraisingh odnotowali trudności w porównaniu danych dotyczących P. knowlesi i P. falciparum – genom P. falciparum nie jest tak podatny na użytą metodę mutagenezy i dane zebrano tylko z 38 tys. insercji. Oznacza to, że dane

pozyskane w badaniu tego gatunku mogą być niekompletne, jak wyjaśnia Duraisingh. Jak mówi Fidock: „Wnioski z tych badań będą nadal musiały zostać eksperymentalnie przetestowane na falciparum i musi to być zrobione bardziej indywidualnie”.

Planowana współpraca pomiędzy grupami naukowców może być kolejnym ważnym krokiem, ale póki co nie ma na to konkretnych planów. Według Zarringhalama, jeśli połączą zebrane dane, być może będą w stanie dojść do lepszych wniosków – nie tylko nasycenie na poziomie genów ale też lokalizacji. „To pozwoliłoby nam opracować modele głębokiego uczenia i sztucznej inteligencji”, dodaje, co z kolei umożliwiłoby naukowcom „rozwinąć tę analizę do innych gatunków przenoszących malarię bez konieczności generowanie naprawdę drogich bibliotek”.