Что происходит с паразитом в лаборатории, и почему их так сложно изучать?

Паразитические организмы зачастую выбирают путь крайней специализации, добровольно отказываясь от многих молекулярных способностей в пользу надежной жизни за счет деятельности своего хозяина. Это особенно верно для эндопаразитов, средой обитания которых ткани и внутренние органы хозяина. Наш объект, Vickermania, паразитическое простейшее из семейства Trypanosomatidae. Представители семейства невероятно далеко продвинулись по этому пути, поэтому помимо характерной для паразитов утраты ряда молекулярных функций, они приобрели ряд новых, невиданных у других живых существ, как ныне модно говорить, «фич», позволивших им в итоге освоить широкий круг хозяев. Некоторые виды трипаносоматид способны проникать не только в ткани, но и непосредственно в клетки хозяина.

«Одомашнить» такой организм, завести его в своей лаборатории невероятно сложно, потому что практически невозможно достоверно имитировать его естественную среду обитания (не говоря уже об опасности данной затеи для самого исследователя, ведь многие трипаносоматиды – возбудители смертельных заболеваний человека). Эту проблему заметил в 1960 году Кит Викерман, талантливый английский биолог, внесший огромный вклад в изучение трипаносоматид. В своих работах он изучал процесс смены стадии жизненного цикла Trypanosoma brucei при укусе мухой цеце теплокровного хозяина, в том числе, механизмы избегания иммунного ответа. Он обнаружил, что переход из бедной глюкозой среды кишечника насекомого в богатую глюкозой среду теплокровного хозяина сопровождается морфологическими изменениями, которые особенно затрагивают единственную в клетке трипаносомы митохондрию. Сейчас мы знаем, что именно митохондрия действительно играет огромную роль в жизненном цикле трипаносоматид, недаром большинство молекулярных особенностей данной группы связано именно с ней.

Проблема в том, что митохондрия проявляет себя лишь в тех условиях, под которые она эволюционировала. Насколько же хорошей моделью для ученых являются лабораторные линии трипаносоматид? Что происходит с их митохондриями в процессе «одомашнивания» учеными? На эти вопросы мы попытались ответить в нашей работе, опубликованной в журнале PNAS (https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2426887122), естественно, на молекулярном уровне. Забавно, что род, к которому принадлежат наши объекты назван в честь Кита Викермана. Да, да! Объекты! В нашей работы мы сравнили два вида Vickermania: один из них длительное время культивировался в лабораторных условиях, а другой был «одомашнен» относительно недавно. Мы показали, что процесс лабораторной эволюции может проходить очень и очень быстро, при этом использовать масштабные перестройки генома. Типичная митохондрия трипаносоматид имеет необычной строение: ее митохондриальная ДНК представляет собой сеть сплетенных кольцевых молекул двух типов, транскрипты которых взаимодействуют друг с другом в процессе, известном под названием «РНК редактирование». Так вот, второй тип колец чрезвычайно разнообразен: десятки тысяч таких колец, условно разделяемые на сотни классов, несут молекулы гидовых РНК, каждая из которых редактирует определенные области митохондриальных генов. По-видимому, такая сложная система экспрессии – эволюционная адаптация к паразитизму. Однако в лабораторных условиях клетки имеют тенденцию к разрушению этой сложной молекулярной системы. Мы показали, что вид, длительное время культивируемый в лаборатории, успел утратить большую часть колец второго типа, а с ними – гидовые РНК и способность отредактировать существенную часть митохондриальных транскриптов. Биохимические тесты полностью подтверждают эти наблюдения: активности соответствующих компонентов ЭТЦ не наблюдается. Среды, используемые в лаборатории, слишком богаты для трипаносоматид, на них легко выжить, не прибегая к хитрым молекулярных адаптациям. В итоге лабораторная эволюция быстро размывает нажитое богатство. Наше исследование о том, что исследователи должны учитывать данный процесс. И как же им быть? Один из путей очевидных, но трудных путей – использование лабораторных животных в качестве теплокровных хозяев.

Но еще более интересный вопрос: почему наше исследование стало возможным через 60 лет после опытов Кита Викермана? Конечно потому, что за эти годы существенно углубилось наше понимание биологии трипаносоматид, и появились современные инструментальные методы исследования (например, NGS). Но лично мне хочется верить, что в том числе благодаря уникальным алгоритмам T-Aligner, созданного в стенах Биологического факультета МГУ специально для анализа транскриптомных данных трипаносоматид.

Благодарю коллег, особенно моего соавтора Дмитрий Афонин.

Источник: www.pnas.org

Комментарии: