Даже сегодня все еще существует риск того, что малярия может быть повторно занесена в США и Европу, где малярия была в значительной степени ликвидирована к 1950-м годам. Однако, по данным Центров США по контролю и профилактике заболеваний, почти половина населения мира — 3,3 миллиарда человек — в настоящее время проживает в 106 странах и территориях, подверженных риску передачи малярии.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, в 2012 году во всем мире было зарегистрировано 207 миллионов случаев малярии и 627 000 случаев смерти. Примерно 77 процентов погибших составили дети в возрасте до 5 лет.
Малярия вызывается одноклеточными паразитами Plasmodium. Чтобы выжить и размножаться, эти паразиты проходят довольно сложный жизненный цикл, который включает три основных этапа. Во-первых, после того, как человека укусил комар-переносчик паразитов, в печени возникает начальная инфекция, за которой следует длительная стадия красных кровяных телец, на которой проявляются клинические симптомы малярии, и, наконец, стадия комара, т.е. требуется для передачи паразитов другим людям.
Все три стадии необходимы паразиту для полного завершения своего жизненного цикла развития. Удивительно, но основная форма паразита на стадии крови, вызывающая ужасные циклы интенсивных лихорадок, связанных с малярией у людей, не может передаваться комарам.
Для передачи комара гаметоциты половой формы, которые отличаются по своей структуре и имеют совершенно другую программу экспрессии генов и белков, должны постоянно образовываться в крови в течение 2-дневного цикла. Однако малярийные паразиты производят лишь небольшое количество половых паразитов за цикл — это обоюдоострая стратегия для паразита, которая, с одной стороны, обеспечивает его выживание в засушливые сезоны, когда комары редки, но с другой стороны, это также представляет опасность. потенциально уязвимое горлышко. Как паразиты «решают» произвести половую стадию, было загадкой, которая много лет озадачивала исследователей малярии.
«Впереди открываются захватывающие возможности для поиска эффективного способа разорвать цепь передачи малярии, не давая малярийным паразитам завершить свой полный жизненный цикл», — сказал Мануэль Ллинас, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Университета штата Пенсильвания. Ллинас является руководителем международной группы ученых, чья статья с описанием их исследований будет опубликована в журнале Nature на веб-сайте Advance Online Publication 23 февраля 2014 года вместе со второй статьей, в которой описывается соответствующая работа под руководством Энди Уотерса (Университет г. Глазго) и Оливер Биллкер (Институт Wellcome Trust Sanger).
Обе рукописи подробно описывают роль одного и того же регулятора транскрипции AP2-G с удивительно похожими результатами — несмотря на то, что разные группы работали с двумя сильно различающимися паразитами малярии: Plasmodium falciparum, вызывающим наиболее тяжелую форму малярии человека, и Plasmodium berghei, a обычно используются модели паразитарного заражения грызунов."Это узкое место на сексуальной стадии является заманчивой целью для вмешательств, направленных на предотвращение образования этого сравнительно небольшого, но критического числа половых паразитов.
Если половые формы паразита никогда не развиваются в крови инфицированного человека, то ни одна из них не попадет в кишечник комара. , и комар не сможет заразить никого еще малярией ». — сказал Ллинас.Исследование под руководством Ллинаса было инициировано экспериментами группы Альфреда Кортеса из Барселонского центра международных исследований в области здравоохранения, в которых было обнаружено, что отдельные клоны малярийных паразитов человека из одного штамма имеют различные уровни транскрипционного регулятора AP2-G, которые отражают различные уровни производства половой стадии (гаметоцитов). «Результаты были неожиданными, потому что мы обнаружили огромные различия в количестве паразитов половой стадии, продуцируемых разными клеточными линиями», — сказал Ллинас.
Одна клеточная линия продуцировала в десять раз больше, чем другие, большинство продуцировало очень мало, а некоторые вообще не продуцировали. Дальнейшие эксперименты показали, что реальный уровень паразитов на половой стадии, продуцируемых каждым клоном паразита, соответствует доле отдельных клеток, специфически продуцирующих белок AP2-G. «Наши результаты идеально коррелируют между экспрессией гена ap2-g и количеством паразитов, образовавшихся на половой стадии». — сказал Ллинас.
Поскольку все эти паразиты имеют идентичную ДНК или генетический состав, но потомки отдельных клеток производят значительно разное количество паразитов половой стадии, Ллинас сказал, что «мы подозреваем, что что-то вне генов — что-то иное, чем мутация в ДНК. последовательность — контролирует развитие паразитов половой стадии ». Исследования показывают, что это явление закодировано не непосредственно в ДНК паразита, а скорее в других «эпигенетических» различиях между паразитами. Фактически, сказал Ллинас, «предыдущая работа определила, что сильная, репрессирующая, эпигенетическая модификация гистонов присутствует в гене ap2-g и некоторых других местах в геноме малярийного паразита». Кортес добавил: «В течение многих лет мы знали, что малярийные паразиты используют эпигенетические механизмы, чтобы уклоняться от иммунных ответов от человеческого хозяина. Теперь мы знаем, что эпигенетические механизмы также регулируют многие другие важные процессы в биологии малярийных паразитов, включая половую дифференциацию».
Когда ученые открывают такой белок, как AP2-G, который регулирует биологический процесс, возникает типичный следующий вопрос: а какой еще белок контролирует этот регулятор? «Прекрасным аспектом наших открытий является то, что нам не нужен вышестоящий регулятор для AP2-G. Вместо этого AP2-G может быть активирован эпигенетическими механизмами, обеспечивающими правдоподобное объяснение того, как запускается низкоуровневое сексуальное преобразование», — говорит Кортес. .В том, что изначально было отдельным направлением расследования, Дэвид Бейкер, Тэйн Кларк и его коллеги из Лондонской школы гигиены Тропическая медицина и Институт Сэнгера Wellcome Trust проанализировали полногеномные последовательности двух лабораторных штаммов P. falciparum, которые, как они знали, не могут продуцировать гаметоциты. Примечательно, что они обнаружили, что единственным мутированным нефункциональным геном, общим для обоих штаммов, был ген ap2-g.
Дэвид Бейкер сказал, что «более 20 лет моя лаборатория была заинтересована в идентификации гена малярийного паразита, лежащего в основе перехода к половому развитию, и, наконец, обнаружился локус ap2-g, находящийся под эпигенетическим контролем».В параллельном исследовании, проведенном группами Уотерса и Биллкера, паразиты малярии грызунов, которые в конечном итоге утратили способность производить паразитов на половой стадии, были отобраны в течение года в лаборатории (где стадия комара не требуется). Используя секвенирование следующего поколения для выявления основных мутаций, вызывающих эти эффекты, группы обнаружили, что единственным распространенным подозреваемым снова был ген ap2-g — ген, который кодирует производство белка AP2-G.
Чтобы подтвердить эти наблюдения, оба исследования отключили ген ap2-g, вырезав его из генома, чтобы лишить паразита его функции, и управляемые паразиты действительно потеряли способность генерировать паразитов на сексуальной стадии. Кроме того, паразиты восстановили способность производить гаметоциты, когда мутировавший ген у выбранных малярийных паразитов грызунов был исправлен с помощью генной терапии. В сочетании с другими экспериментами результаты показали, что паразиты малярии на сексуальной стадии продуцируются только тогда, когда белок AP2-G находится в хорошем рабочем состоянии. «Наше исследование недвусмысленно продемонстрировало, что белок фактора транскрипции AP2-G необходим для переключения переключателя, который инициирует трансформацию малярийных паразитов в крови из бесполой стадии в критическую половую стадию их жизненного цикла», — сказал Ллинас.
Исследователи согласны с тем, что эти открытия воодушевляют будущее исследований малярии. Клетки, которые заставляют AP2-G вступать в половое развитие, теперь группы могут контролировать экспериментально. «Это открывает путь к разработке тестов для выявления эффективных лекарств, которые могут нарушить приверженность половому развитию и предотвратить передачу», — комментирует Уотерс.
Биллкер добавляет, что «открытие AP2-G теперь дает нам новую отправную точку для изучения того, как сложный жизненный цикл малярийных паразитов регулируется белками внутри клеток паразита. Это может даже позволить нам контролировать развитие паразитов в лаборатории».
Новая возможность выращивать множество паразитов малярии на сексуальной стадии будет стимулировать усилия по разработке вакцины для половой стадии, которая поможет инфицированному человеку выработать иммунный ответ, чтобы предотвратить передачу малярийных паразитов комару, что фактически положит конец жизненному циклу. для партии малярийных паразитов этого человека. «С помощью технологий следующего поколения, которые мы и другие исследователи малярии сейчас используем, мы с оптимизмом ожидаем новых открытий в области борьбы с малярией, которые могут произойти в ближайшее время — даже в течение следующих 5 лет», — сказал Ллинас.