Исследователи раскрывают секреты репликации паразитов

Группа заболеваний, ежегодно убивающих миллионы людей, не поддается лечению антибиотиками, а некоторые методы терапии настолько токсичны, что пациент может не выжить. Их вызывают паразиты, и десятилетиями ученые искали «волшебную пулю», чтобы убить их, не навредив пациенту. Теперь команда микробиологов из Университета Массачусетса в Амхерсте совершила прорыв, который однажды может привести к новому оружию против паразитарных болезней, таких как африканская сонная болезнь, болезнь Шагаса и лейшманиоз.

В статье на обложке текущего выпуска журнала Eukaryotic Cell паразитологи Мишель Клингбайл, докторант Дженнифер Консепсьон-Асеведо и их коллеги сообщают о первой детальной характеристике того, как ключевые белки в модельном паразите Trypanosoma brucei организуются для репликации его митохондриальной ДНК (мтДНК). Понимание этой пространственно-временной координации может стать «точкой входа» для новых атак на один из важнейших клеточных процессов паразитов, отмечает Клингбайл.

Она добавляет: «Паразитов, таких как T. brucei (возбудитель африканской сонной болезни), лечить непросто, потому что они слишком похожи на наши собственные клетки. Антибиотики неэффективны, поэтому мы атакуем их как захватчиков токсичными химикатами. Мы пытаемся найти их слабые места, чтобы использовать их и в конечном итоге разработать очень селективное, эффективное и безопасное лечение».

Прогресс давался нелегко, отчасти потому, что у этих паразитов самая сложная структура митохондриального генома в природе, говорят Клингбайл и Консепсьон-Асеведо, ведущий исследователь проекта. Чтобы разобраться в этом, они сосредоточились на чрезвычайно сложном механизме репликации мтДНК у трипаносом, который включает кинетопластную ДНК (kDNA). Её ключевые компоненты сильно отличаются от репликации ДНК у животных и человека-хозяина, говорит Клингбайл: «Поэтому, если мы сможем заблокировать процесс репликации и уничтожить kDNA, паразиты погибнут. Это один из возможных способов их убить».

kDNA трипаносом находится в митохондрии в виде нуклеоида, где она содержит множество копий сцепленных (катенированных) или объединенных в сеть мини- и макси-колец, которые под микроскопом выглядят как средневековая кольчуга. Эти молекулы передают информацию дочерним клеткам с помощью ДНК-полимераз, задача которых — скопировать все кольца в сети. У трипаносом шесть мтДНК-полимераз, в то время как у человека — всего одна.

Чтобы выяснить, как эти трипаносомные полимеразы «понимают», когда начинать репликацию ДНК, Консепсьон-Асеведо провела эксперименты по иммунофлуоресценции, сосредоточившись на отслеживании конкретной из них — митохондриальной ДНК-полимеразы ID (POLID). Пометив белок POLID флуоресцентной меткой и отследив его в пространстве и времени, Консепсьон-Асеведо впервые количественно определила его и прояснила его связь с общим процессом репликации в очень узком временном окне. Подход сразу же дал результат.

Клингбайл говорит: «Как только Дженни начала внимательнее изучать локализацию POLID, она обнаружила новый механизм участия этого белка в репликации kDNA». В ответ на изменения kDNA во время цикла репликации POLID динамически перераспределялся, меняя локализацию из митохондриального матрикса в концентрированные фокусы вокруг kDNA и ко-локализуясь с реплицирующимися молекулами kDNA.

«Это предполагалось, но никогда ранее не наблюдалось», — объясняет Клингбайл. — Это было потрясающе. Мы впервые визуализировали митохондриальный репликационный белок, подвергающийся динамической локализации, и связали это с синтезом ДНК. Никто раньше не мог этого сделать ни в одной системе репликации митохондриальной ДНК».

Это важное открытие объясняет, как POLID участвует в репликации kDNA, и открывает новые пути для изучения и вмешательства в динамику митохондриальных белков, говорят паразитологи. Их конечной целью является поиск химического соединения, которое ингибировало бы выполнение POLID своей роли во время репликации и нацеливалось бы на всех паразитов со структурой kDNA.