Коварный паразит убивает клетки человека и носит их остатки как маскировку
Одноклеточный паразит Entamoeba histolytica ежегодно заражает 50 миллионов человек, убивая почти 70 000. Обычно эта хитрая, меняющая форму амёба вызывает нечто не хуже диареи. Но иногда она провоцирует тяжёлое, даже смертельное заболевание, разъедая язвы в толстой кишке, разжижая части печени и проникая в мозг и лёгкие.
"Она может убить всё, что вы бросите на неё, любой тип человеческой клетки", — говорит Кэтрин Ролстон, доцент кафедры микробиологии и молекулярной генетики. E. histolytica может даже уклоняться от иммунной системы — и убивать белые кровяные тельца, которые должны с ней бороться.
Учёные долго пытались понять, как она это делает. Но в новой статье, опубликованной в Trends in Parasitology, Ролстон и её лаборатория излагают план по решению этой задачи, используя генетические инструменты для изучения функций её белков и генов.
"Все паразиты недостаточно изучены, но E. histolytica особенно загадочна", — говорит Ролстон. Создание инструментов для её изучения заняло годы. Но по пути она обнаружила сюрпризы, которые могут заложить основу для улучшенных методов лечения.
Поиск орудия убийства микроскопического хищника
E. histolytica проникает в толстую кишку после того, как человек употребляет заражённую пищу или воду, обычно в развивающихся странах с плохой санитарией воды. В США её чаще всего обнаруживают у людей, недавно совершивших поездки за границу, или у иммигрантов.
Её видовое название, histolytica, означает "растворяющая ткани" — потому что она создаёт гноящиеся очаги разжиженной ткани, называемые абсцессами, в инфицированных органах. Разрушая органы человека, она не аккуратно поедает убитые клетки; вместо этого она оставляет повреждённые клетки изливать своё содержимое, пока спешит убить другие клетки.
Ролстон начала изучать этого грозного маленького зверя в 2011 году во время постдокторской стажировки в Университете Вирджинии. Тогда считалось, что он убивает клетки, впрыскивая в них яд. Но, наблюдая за ним в микроскоп, она увидела нечто совсем иное.
E. histolytica фактически откусывала куски человеческих клеток. "Вы могли видеть, как маленькие части человеческой клетки отламываются", — сказала она. Эти поглощённые фрагменты клеток, светящиеся флуоресцентно-зелёным под её микроскопом, накапливались внутри амёбы.
Её сообщение о том, что паразит убивает клетки посредством этого процесса, называемого "трогоцитозом", было опубликовано в журнале Nature в 2014 году. "Это было важно, — сказала она. — Чтобы разработать новые методы лечения или вакцины, действительно необходимо знать, как E. histolytica повреждает ткани".
В 2022 году Ролстон обнаружила, что после того, как амёба поглощает части человеческих клеток, она становится устойчивой к основному компоненту иммунной системы человека — классу молекул, называемых "белками комплемента", которые находят и убивают вторгающиеся клетки.
В новой статье, размещённой на bioRxiv в октябре 2024 года, Ролстон и аспиранты Маура Руйечан и Уэсли Хуан обнаружили, что амёба приобретает эту устойчивость, поглощая белки с внешних мембран человеческих клеток и размещая их на собственной внешней поверхности. Два из этих человеческих белков, называемые CD46 и CD55, предотвращают прикрепление белков комплемента к поверхности амёбы.
По сути, амёбы убивают человеческие клетки, а затем надевают их белковую "униформу" в качестве маскировки, что позволяет им уклоняться от иммунной системы человека.
Создание инструментов для научных открытий
С другими патогенами, такими как ВИЧ и сальмонелла, учёные быстро продвинулись, идентифицировав множество генов, а затем проводя высокопроизводительные эксперименты по "выключению" этих генов по отдельности, чтобы найти те, которые имеют решающее значение для возникновения болезни. Но с E. histolytica это было сложно.
Её геном, секвенированный в 2005 году, в пять раз больше, чем у сальмонеллы, и в 2500 раз больше, чем у ВИЧ. Его анализ потребовал многолетнего прогресса в биоинформатике. Но исследование 2013 года наконец показало нечто многообещающее: E. histolytica использует клеточный процесс, называемый "ингибированием РНК" (RNAi), в качестве регулятора громкости для контроля экспрессии своих генов.
"Мы подумали, что сможем превратить это в инструмент для понимания её генома", — сказала Ролстон. В 2021 году она, Руйечан, Хуан и шесть коллег из UC Davis опубликовали статью, демонстрирующую один из таких разработанных ими инструментов. Их "библиотека RNAi" позволяет им подавлять экспрессию каждого из 8734 известных генов паразита по отдельности.
В своей новейшей статье, опубликованной в качестве обложки Trends in Parasitology, Ролстон, Хуан и Руйечан представляют план использования этой системы RNAi для быстрой идентификации генов, необходимых амёбе для выполнения ключевых действий, таких как откусывание частей человеческих клеток или кража их белков.
Они выступают за сочетание этого с инструментом редактирования генов CRISPR. Используя этот подход, они могли бы пометить белки флуоресцентными маркерами, чтобы наблюдать за их взаимодействием под микроскопом; или удалять небольшие части генов и белков, чтобы найти конкретные участки, имеющие решающее значение и которые можно было бы атаковать с помощью лекарств.
"Теперь мы видим свет в конце туннеля и считаем, что это достижимо", — сказал Хуан, который выступает за то, чтобы научное сообщество разработало CRISPR для использования в амёбе.
От фундаментальных исследований к медицинским прорывам
История E. histolytica иллюстрирует ценность фундаментальных исследований — и то, как они способствуют медицинским прорывам спустя много лет.
Исследователям потребовались годы, чтобы научиться выращивать этого паразита в лаборатории, и ещё годы, чтобы Ролстон обнаружила, как он откусывает части человеческих клеток и использует их белки, чтобы избежать иммунной системы.
Даже после секвенирования её генома Ролстон и другим учёным потребовалось время для разработки экспериментальных инструментов для его анализа. Это закладывает основу для идентификации генов или белков, на которые можно нацелить вакцины или новые лекарства.
"Наука — это процесс строительства, — сказала Ролстон. — Вы должны строить один инструмент на основе другого, пока наконец не будете готовы открыть новые методы лечения".
В этом исследовании использовались несколько основных исследовательских центров UC Davis, включая Light Microscopy Imaging Facility, Bioinformatics Core Facility и Center for Molecular and Genomic Imaging.