Геном лямблії розблоковано

Лямблії лямблій, один з найпоширеніших паразитів людини в США, спричиняє понад 20 000 кишкових інфекцій на рік, часто через контакт із зараженою питною або плавальною водою. У випуску Science від 28 вересня міжнародна група під керівництвом дослідників MBL (Морської біологічної лабораторії) описує повний геном (генетичну послідовність) лямблій, що може призвести до розробки нових препаратів для боротьби з цією стійкою інфекцією, яка називається лямбліоз.

"Незважаючи на те, що зараз доступні методи лікування, багато людей хворіють на хронічний лямбліоз, який важко усунути. Отже, існує інтерес до нових методів лікування", - говорить Хіларі Моррісон, доктор філософії, з Центру порівняльного аналітичного дослідження MBL Джозефін Бей. Молекулярна біологія та еволюція, перший автор статті.

Паразит лямблій живе в кишечнику людини у формі плавання та годування, яка називається трофозоїтом, який з часом викидається через стілець. Поза тілом лямблії набувають форми високоінфекційної кісти, яка може жити тижнями у воді, ґрунті, їжі або на інших поверхнях.

Лямбліоз найчастіше зустрічається серед дітей, особливо тих, хто піддається зміні підгузників. Плавці, туристи, відпочиваючі та інші, хто п'є неочищену воду, також схильні до зараження (звідси прізвисько "хвороба рюкзака" або "боброва лихоманка"), як і міжнародні мандрівники. Загальні симптоми включають діарею, нудоту, спазми шлунка та гази, і зазвичай тривають від двох до шести тижнів. Оскільки паразит чіпляється до кишкових клітин, які поглинають жири та поживні речовини, лямбліоз може призвести до серйозних ускладнень, таких як погане засвоєння поживних речовин та втрата ваги.

Одну фазу свого життєвого циклу лямблії проводять в навколишньому середовищі, а іншу - в кишечнику зараженої людини або дикої тварини. Для підтримки цього подвійного існування паразит має дві кардинально різні мікроскопічні форми.

У воді лямблії існують як витривала, високоінфекційна кіста, яка може вижити місяцями навіть у прісній воді, позбавленій усіх поживних речовин. У кишечнику лямблії існують у формі плавання та годування, відомій як трофозоїт.

Пробудження сплячої кісти відбувається швидко після того, як хтось проковтнув забруднену воду або їжу. Після того, як кісти зіткнулися з теплими кислими соками в шлунку, вони перетворюються на трофозоїти. Протягом приблизно двох годин ці трофозоїти будуть плавати в кишечнику.

На відміну від багатьох інших паразитів, трофозоїти не вторгаються в тканини або клітини. Натомість вони просто прикріплюються до клітин, вживають поживні речовини і розмножуються. Паразит ухиляється від імунної системи і зберігається в кишечнику, переміщуючи білки, які він відображає на своїх поверхнях.

Існуючі препарати можуть ефективно лікувати людей з інфекціями лямблій, хворобою, відомою як лямбліоз, але більшість інфекцій проходить самостійно. Коли трофозоїти від’єднуються від кишкової стінки, вони можуть плавати і приєднуватися до нових клітин кишечника, або вони можуть проходити по шлунково-кишковому тракту і в кишечник, перетворюватися назад у кісти і проходити через стілець.

"Незважаючи на те, що лямблія не загрожує життю, вона досить вибагливий паразит і досить важливий з економічної точки зору у всьому світі та в Сполучених Штатах, де є основною причиною діарейних захворювань у дітей у дитячих садах", - говорить доктор філософії Мітчелл Согін., директор Полі-центру Джозефін-Бей та керівник дослідження Giardia.

Аналіз геному лямблій виявив кілька незвичайних білків, які є перспективними лікарськими мішенями, говорить Моррісон. "Ці білки досить відрізняються від білків людини, і якщо ви вплинете на них за допомогою препарату, це не вплине на аналоги людини", - каже вона. "Можна розробити ліки, які заважатимуть здатності паразита розмножуватися, або рухатися, або зв’язуватися в тонкому кишечнику, або існувати взагалі".

Еволюційна історія

Команда також дослідила еволюційну історію цього давнього паразита. Лямблії - це одноклітинний еукаріот, тобто його клітина має ядро, як і клітини людини та більшості інших багатоклітинних організмів. Але геном лямблій компактний у порівнянні з іншими еукаріотами, завдяки спрощеному механізму для декількох основних процесів, таких як реплікація ДНК та обробка РНК.

Якби геном Джардії спочатку був складним і зазнав втрати генів протягом еволюційного часу, каже Моррісон, можна було б очікувати, що частини машин будуть цілими, а деталі відсутні. Однак це було не так. "Схоже, геном для початку був простішим", - каже вона. Автори припускають, що лямблії відійшли від інших еукаріотів більше мільярда років тому.

"Ми приступили до цього проекту з геному через його важливість для здоров'я людини та припущення з попередніх молекулярних аналізів, згідно з якими Giardia представляє дуже ранню диверсифікаційну лінію в еволюційній історії еукаріотів", - говорить Согін. "Зміст геному Джардії та архітектура підтримують ці теорії про родовий характер паразита".

Еукаріотичні організми настільки різноманітні, що включають все, від амеб до людей. Але навіть у такому широкому діапазоні лямблія є незвичною. У своїй формі трофозоїту він має два ядра замість більш звичного. Коли вона стає кістою, вона розмножує свій генетичний матеріал на чотири однакові ядра. Але, незважаючи на наявність цих кількох копій ядер, Джардія справді є генетичним мінімалістом. Він має менше і простіших генетичних компонентів, ніж більшість інших еукаріотів.

Чому? Відповідно до однієї теорії, лямблія проста, оскільки вона втратила складність: еволюційний тиск сприяє паразитам, які викидають гени, що кодують функції, які вони можуть запозичити у своїх заражених господарів. Альтернативна теорія стверджує, що паразит, можливо, завжди був простим, оскільки він відрізнявся від інших еукаріотичних організмів більше мільярда років тому, задовго до появи складних сучасних еукаріотів.

Гіларі Моррісон, доктор філософії, та Мітчелл Согін, доктор філософії, з MBL, які керували дослідженням, заявляють, що їх результати підтверджують цю останню теорію. Ретельний аналіз геному виявляє, що молекулярна техніка Джардії - навіть для найосновніших процесів, зазвичай спільних для інших еукаріотів - проста у порівнянні. Це говорить про те, що так було завжди. Його паразитична ніша дозволила їй зберігати простий генетичний склад протягом мільярдів років - задовго до того, як вона почала з’являтися в дитячих садах.

Ще одна важлива знахідка, зазначає Согін, полягає в тому, що гени, що дозволяють лямбліям уникати імунної відповіді людини, організовані інакше, ніж у інших паразитів. У кишечнику хазяїна лямблія уникає атаки імунної системи, переміщуючи білки, які вона відображає на своїх поверхнях. Гени цих поверхневих білків розпорошені по всьому геному лямблій, а не в кластерах, як у інших паразитів.

Разом із докторами. Моррісон, Согін та їхні колеги MBL, співробітники проекту включали дослідників з Каліфорнійського університету, Сан-Дієго; Техаський університет в Ель-Пасо, Медичний коледж Університету Арізони; Університет Іллінойсу в Урбані - Шампань; Уппсальський університет у Швеції, Цюріхський університет; Школа стоматологічної медицини Голдманського університету в Бостоні; Шведський інститут боротьби з інфекційними хворобами; Інститут біологічних досліджень Салка; та Пенсильванський університет.

Дослідження фінансувало Національний інститут алергії та інфекційних хвороб (NIAID), один з Національних інститутів охорони здоров’я (NIH).