Cercetătorii identifică o proteină specifică parazitului în infecțiile cronice cu Toxoplasma
Toxoplasma gondii, sau Toxoplasma, este un parazit care infectează sute de milioane de oameni la nivel mondial.
Deși cazurile sunt adesea ușoare, acesta poate provoca simptome severe la persoanele cu sistem imunitar slăbit și la fături în dezvoltare. Parazitul poate persista timp de ani, formând chisturi de lungă durată în țesuturi, ceea ce permite infecția să devină cronică.
În timpul infecției cronice, sute de paraziți Toxoplasma pot fi concentrați într-un chist de țesut în interiorul unei celule cerebrale sau musculare. Această viață aglomerată vine cu un cost: nutrienții devin mai greu de obținut, deșeurile se acumulează, iar reacțiile de producere a energiei pot deveni dăunătoare. Modul în care Toxoplasma își transformă metabolismul pentru a continua să crească în astfel de condiții dificile a fost neclar.
Un nou studiu realizat în laboratorul lui Sebastian Lourido, membru al Whitehead Institute și profesor asociat de biologie la Massachusetts Institute of Technology (MIT), identifică o proteină specifică parazitului care ajută la coordonarea acestei reacții. Proteina, denumită TgPRO, permite Toxoplasma să gestioneze stresul oxidativ – acumularea de molecule reactive de oxigen care pot deteriora celulele – prin controlul genelor implicate în producția de energie și utilizarea fierului.
Rezultatele, publicate pe 11 august în revista Cell, dezvăluie primul regulator dedicat al expresiei genelor metabolice identificat în apicomplexani, grupul de paraziți care include Toxoplasma și organismele care cauzează malaria. Studiul, condus de coautori principali Christopher Giuliano și Chinmay Kalluraya, a scos la iveală o modalitate necunoscută anterior prin care paraziții reglează metabolismul. Descoperirile sugerează, de asemenea, o posibilă strategie terapeutică: inhibarea căilor reglate de TgPRO ar putea face Toxoplasma mai vulnerabil la medicamentele antiparazitare care induc stres oxidativ, deși această abordare trebuie încă testată.
Pentru a descoperi genele care susțin capacitatea Toxoplasma de a trăi în celule aglomerate, cercetătorii au utilizat un screening CRISPR la nivelul întregului genom pentru a compara Toxoplasma crescut la densități mici și mari. Screeningul testează efectele dezactivării genelor una câte una la ambele densități de populație pentru a determina care gene sunt esențiale în condiții aglomerate. Acesta a evidențiat căile care produc sau reciclează NAD și NADP, molecule importante pentru producția de energie și apărarea împotriva daunelor oxidative. De asemenea, a indicat TgPRO, o proteină care nu fusese studiată anterior, care s-a dovedit a fi deosebit de importantă când paraziții erau aglomerați.
„Un screening la nivelul întregului genom a fost o modalitate puternică de a întreba cum aglomerarea afectează fitnessul parazitului”, afirmă Kalluraya. „TgPRO a ieșit la iveală ca fiind foarte important la densitate mare. Deoarece aproape nimic nu se știa despre ea, am dorit să înțelegem ce face.”
Paraziții care nu aveau TgPRO funcțional acumulează mai multe molecule reactive de oxigen și au avut dificultăți în a concura la densitate mare. Experimentele au arătat că pierderea TgPRO a perturbat mitocondriile – structurile care furnizează mare parte din energia unei celule – și a schimbat modul în care paraziții procesau glucoza și alți nutrienți. Furnizarea de fier suplimentar sau restabilirea unui echilibru chimic important în interiorul mitocondriilor a îmbunătățit creșterea parazitului, conectând efectele TgPRO la metabolismul energetic dependent de fier.
În continuare, echipa a urmărit răspunsul până la un mecanism molecular. TgPRO este o proteină legătoare de ARN, ceea ce înseamnă că se atașează de mesajele moleculare (ARN) pe care celulele le folosesc pentru a produce proteine. Cercetătorii au descoperit că se leagă și stabilizează un set select de mesaje implicate în utilizarea nutrienților, activitatea mitocondrială și asamblarea clusterelor fier-sulf, structuri mici de care multe enzime au nevoie pentru a funcționa. Experimentele au conectat observația originală – că anumiți paraziți au avut dificultăți doar când erau aglomerați – la o interacțiune precisă între o proteină de reglementare și țintele sale ARN.
„Unul dintre elementele cu adevărat frumoase ale poveștii este abilitatea noastră de a conecta totul, de la observația originală și screeningul la nivelul întregului genom până la consecințele metabolice și interacțiunea directă dintre TgPRO și ARN-urile sale țintă”, afirmă Sebastian Lourido.
Cercetătorii au descoperit că scăderea nivelurilor de oxigen a redus, de asemenea, stresul oxidativ și a restaurat parțial creșterea paraziților fără TgPRO. Toxoplasma este adesea crescut în laboratoare la niveluri atmosferice de oxigen, care sunt considerabil mai mari decât cele întâlnite în majoritatea țesuturilor animale. Rezultatul sugerează că condițiile de oxigen pot modela puternic metabolismul parazitului și cercetătorii avertizează pe alții care studiază Toxoplasma să ia acest lucru în considerare.
Conectarea TgPRO cu infecția cronică
După ce au testat rolul TgPRO în condiții artificial aglomerate, echipa a verificat dacă TgPRO este relevant și în timpul infecției cronice, când Toxoplasma formează chisturi în creier. Șoarecii infectați cu paraziți care nu aveau TgPRO funcțional au dezvoltat chisturi cerebrale mai mici, sugerând că TgPRO susține creșterea parazitului în mediul natural dens al unui chist în stadiul cronic.
„Stadiul cronic este încă oarecum eluziv”, afirmă Giuliano. „Arătând că TgPRO afectează creșterea chistului sugerează că aceste schimbări metabolice sunt necesare în creier și ne oferă indicii despre modul în care paraziții persistă acolo timp de luni sau ani.”
TgPRO prezintă puțină asemănare cu proteinele care reglează programe metabolice similare în mamifere, drojdii și bacterii, totuși controlează multe dintre aceleași tipuri de gene pe care aceste organisme le ajustează atunci când celulele se confruntă cu stres oxidativ sau condiții nutriționale schimbătoare. Aceasta este un exemplu de evoluție convergentă: organismele îndepărtate au evoluat mecanisme moleculare diferite pentru a rezolva o problemă biologică similară.
Această convergență sugerează că coordonarea acestor căi metabolice poate fi o cerință fundamentală pentru celulele care se adaptează la stres.
În ansamblu, studiul stabilește un nou cadru pentru modul în care paraziții apicomplexani își reglează metabolismul și avansează fundamentele pentru investigarea modului în care Toxoplasma persistă în interiorul gazdelor sale.
