O hartă genetică detaliată oferă noi speranțe pentru tratamentele tuberculozei
Cercetătorii de la Rockefeller au realizat cea mai cuprinzătoare hartă de până acum a interacțiunilor dintre genele esențiale ale Mycobacterium tuberculosis (Mtb), bacteria responsabilă pentru tuberculoză (TB). Această hartă fără precedent dezvăluie mii de relații genetice anterior necunoscute, oferind o nouă perspectivă asupra mecanismelor de funcționare ale unuia dintre cei mai letali patogeni ai lumii.
Studiul, condus de cercetătorii din laboratorul lui Jeremy Rock și publicat în revista Nature, aduce clarificări asupra funcțiilor genelor slab înțelese și a interacțiunilor dintre acestea. Prin dezvăluirea modului în care genele esențiale pentru supraviețuirea bacteriei colaborează, rezultatele ar putea ajuta la identificarea de noi ținte pentru medicamente și la dezvoltarea unor combinații de antibiotice mai eficiente în combaterea TB.
„Geneticii de drojdie au folosit o abordare similară pentru a transforma înțelegerea noastră asupra biologiei fundamentale a celulelor; de când am început să lucrez la TB, am visat să aduc această idee în studiul Mtb. Acum, avem prima hartă cuprinzătoare a interacțiunilor dintre genele esențiale într-un patogen. Impactul potențial asupra luptei cu această boală este imens”, a declarat Jeremy Rock.
Tuberculoza este un patogen notoriu de încăpățânat. A afectat omenirea timp de mii de ani și, în ciuda decadelor de progrese medicale, rămâne una dintre cele mai letale boli infecțioase, provocând anual mai mult de un milion de decese. Acest lucru se datorează în mare parte dificultății de eradicare a Mtb, care are pereți celulari extrem de rezistenți, ce creează o barieră împotriva antibioticelor, iar capacitatea sa de a persista în organism face infecțiile deosebit de persistente.
„Cresc încet, dar mor și lent”, spune Isaac Kresse, co-autor principal al studiului. „Și cu cât durează mai mult pentru a curăța infecția, cu atât bacteriile au mai mult timp să dezvolte rezistență.”
Tratamentul tuberculozei necesită, de obicei, mai multe antibiotice administrate pe parcursul a câteva luni; infecțiile rezistente la medicamente pot dura chiar mai mult pentru a fi eradicate din organism. Îmbunătățirea tratamentelor necesită, însă, o înțelegere mai profundă a bacteriei însăși. În ciuda decadelor de cercetare, oamenii de știință nu înțeleg complet funcțiile multor gene esențiale pentru supraviețuirea sa.
„Există multe gene în genomul Mtb care sunt complet necaracterizate”, afirmă Natalie Sayegh, co-autor principal și cercetător biomedical în laboratorul lui Rock. „Nu știm ce fac.”
Noua hartă realizată de cercetători reprezintă un pas major în completarea acestei lacune. Proiectul ambițios a necesitat studierea sistematică a modului în care sute de gene se influențează reciproc; a descoperit mii de relații genetice necunoscute anterior, oferind indicii noi despre funcția genelor și identificând interacțiuni ce ar putea indica combinații terapeutice mai eficiente.
Cercetătorii știau de mult care gene sunt esențiale pentru supraviețuirea Mtb. A înțelege de ce sunt esențiale s-a dovedit a fi mult mai dificil.
Un obstacol major a fost limitarea tehnicilor tradiționale de editare genetică. CRISPR, de exemplu, permite oamenilor de știință să vizeze și să taie secțiuni specifice de ADN, dezactivând gene individuale pentru a studia funcțiile lor. Dar, atunci când o genă este esențială pentru supraviețuire, eliminarea ei poate duce la moartea bacteriei, îngreunând investigarea modului în care acea genă interacționează cu altele, explică Kresse.
Pentru a depăși această problemă, Rock și echipa sa au modificat o versiune a tehnologiei de editare genetică numită CRISPR interference (CRISPRi). Spre deosebire de tăierea ADN-ului, CRISPRi permite oamenilor de știință să reducă expresia genelor individuale fără a le altera permanent. Aceasta le-a oferit cercetătorilor o modalitate de a studia gene esențiale fără a omorî bacteriile.
Construind pe un sistem CRISPRi dezvoltat anterior în laboratorul lui Rock pentru a studia gene individuale în micobacterii, echipa a conceput o nouă abordare capabilă să suprime simultan două gene. Aceasta le-a permis să investigheze modul în care perechile de gene esențiale colaborează și cum afectează creșterea bacteriană.
Echipa a folosit tehnologia pentru a efectua ceea ce se numește cartografiere a interacțiunilor genetice (GI), o tehnică care ajută oamenii de știință să înțeleagă modul în care genele colaborează. Cercetătorii reduc mai întâi activitatea fiecărei gene individuale, apoi suprimă simultan ambele gene pentru a observa cum se compară efectul combinat asupra creșterii bacteriene cu ceea ce s-ar fi așteptat. Dacă bacteriile cresc mai bine sau mai rău decât se anticipa, acest lucru sugerează o interacțiune genetică care poate oferi indicii despre modul în care genele sunt conectate funcțional.
Mai întâi, tehnica a fost rafinată în Mycobacterium smegmatis, o bacterie model înrudită, înainte de a fi aplicată la Mtb. În Mtb, au fost investigate interacțiunile dintre 762 de gene, identificând aproape 6.500 de interacțiuni genetice. Harta rezultată oferă o perspectivă fără precedent asupra modului în care genele esențiale pentru supraviețuirea bacteriei sunt conectate funcțional.
Prin compararea modelelor de interacțiune ale genelor cu funcții cunoscute cu cele ale genelor misterioase, echipa a putut identifica conexiuni anterior neobservate între căile biologice.
„Folosim căile pe care le înțelegem pentru a încerca să descoperim care alte gene se încadrează în acele căi”, afirmă Kresse.
De exemplu, cercetătorii au descoperit că mai multe gene anterior necaracterizate par să joace roluri importante în lanțul de transport al electronilor, mecanismul celular care ajută organismele să genereze energie. Experimentele ulterioare au confirmat că aceste gene contribuie la funcția unui complex major de proteine respiratorii.
Echipa a combinat de asemenea hărțile genetice cu AlphaFold 3, un sistem de inteligență artificială care prezice structurile moleculare, pentru a oferi o înțelegere suplimentară asupra modului în care unele dintre aceste gene ar putea colabora la nivel molecular.
Aceste descoperiri sunt deosebit de importante pentru proiectarea de noi terapii. „Există o mare parte din genomul TB care a fost inaccesibil eforturilor de descoperire de medicamente”, spune Sayegh.
Hărțile oferă o modalitate de a identifica combinații potențial eficiente de antibiotice fără a fi necesar să se testeze fiecare pereche posibilă de la zero. În mod tradițional, cercetătorii au dezvoltat combinații de medicamente pentru TB în mare parte prin încercări și erori. Dar, din cauza numărului imens de combinații posibile, au explorat doar o fracțiune din posibilități.
Noile hărți oferă o modalitate sistematică de a restrânge căutarea. De exemplu
