Jednostavno rečeno
Istraživači su na osnovu uzoraka krvi napravili jasnije genetske mape za tri vrste parazita koji izazivaju malariju, bez njihovog uzgoja u laboratoriji. Mape otkrivaju dijelove koje je ranije bilo teško proučavati i mogu pomoći da bolje razumijemo kako se paraziti mijenjaju i izbjegavaju odbranu ljudskog tijela. Ovo znanje moglo bi unaprijediti otkrivanje malarije i praćenje djelovanja lijekova.
Zašto neke vrste još nisu dovoljno istražene?
Malariju ne izaziva samo Plasmodium falciparum, vrsta koja uzrokuje većinu smrtnih slučajeva od ove bolesti. Tu su i druge vrste, među njima Plasmodium ovale i Plasmodium vivax, koje mogu izazvati dugotrajnu infekciju, ali su istraživačima manje poznate. Jedna od glavnih prepreka jeste to što ih je teško proučavati u laboratoriji: nema pouzdanih metoda koje omogućavaju da se ovi paraziti održavaju u neprekidnim kulturama.
U studiji objavljenoj u časopisu PLOS Pathogens naučni tim predstavio je kvalitetne genetske mape triju vrsta parazita iz roda Plasmodium koje mogu zaraziti ljude. Mape su uređene tako da prikazuju raspored genetskog materijala na nivou hromosoma. Važno je i to što su istraživači koristili krv ljudi koji su se malarijom zarazili u prirodnim uslovima, a ne parazite umnožene u laboratoriji. Takav pristup omogućio im je da prouče dijelove genetskog materijala koji se nisu jasno vidjeli u ranijim referentnim mapama.
Mnoga istraživanja malarije usmjerena su na Plasmodium falciparum, koji uzrokuje većinu smrtnih slučajeva povezanih s ovom bolešću. To, međutim, ne znači da su druge vrste nevažne. Plasmodium ovale i Plasmodium vivax također doprinose ukupnom teretu bolesti, a mogu biti povezani i s dugotrajnim infekcijama. Osim toga, mogu opstati u područjima u kojima se broj infekcija vrstom Plasmodium falciparum smanjuje. Zato je važno razumjeti i ove parazite kada se procjenjuje uspješnost napora za suzbijanje malarije.
Za proučavanje parazita obično su potrebni precizni genetski podaci, ali njih je teško prikupiti za vrste koje se ne mogu lako uzgajati. Ako se dostupni genomi sastoje od brojnih odvojenih dijelova, može biti teško utvrditi kojim redoslijedom oni dolaze ili prepoznati pojedine gene i njihove grupe. Vrijednost genetske mape zato nije samo u tome da sadrži dug niz genetskih podataka. Važno je i da bude dovoljno dobro uređena kako bi se mogli vidjeti položaj gena i njihovi međusobni odnosi unutar hromosoma.
Tim je nastojao napraviti potpunije genetske mape za dvije vrste koje su dosad bile slabije istražene, a istovremeno je izradio i kvalitetne mape za Plasmodium falciparum. Uključivanje sve tri vrste omogućilo je poređenje genoma različitih parazita prikupljenih u istom geografskom području. Tako su istraživači mogli proučavati njihove sličnosti i razlike, umjesto da svaku vrstu posmatraju zasebno.
Od uzoraka pacijenata do mape hromosoma
Istraživači iz Wellcome Sanger Institute i Centra za istraživanje i obuku o parazitima i mikroorganizmima u Maliju prikupili su uzorke krvi ljudi koji su se malarijom zarazili u prirodnim uslovima u mjestu Faladé u Maliju. Umjesto da počnu s parazitima uzgojenim u laboratoriji, genetski materijal izdvojili su iz samih kliničkih uzoraka. Na kraju su sastavljeni genomi parazita iz uzoraka osam učesnika.
Prije očitavanja genetskog niza bilo je važno odvojiti genetski materijal parazita od ostalih sastojaka krvi. Istraživači su zato uklonili ljudske bijele krvne ćelije, kao i nezaražene crvene krvne ćelije, kako bi povećali udio DNK parazita u uzorku. Time se genetski signali parazita lakše uočavaju, naročito kada je količina dostupnog genetskog materijala mala.
Zatim je tim primijenio tehnologiju dugog očitavanja PacBio Ultra-Low-Input HiFi, koja je prilagođena radu s malim količinama genetskog materijala. Duga očitavanja važna su zato što je lakše odrediti kako se udaljeni dijelovi niza uklapaju kada uređaj može očitati duže odsječke. To je jednostavnije nego povezivati kratke fragmente koji se u složenim područjima teško mogu pouzdano sastaviti.
Kako bi dobili potpuniju sliku rasporeda hromosoma, istraživači su upotrijebili i metodu Hi-C. Ona bilježi dijelove DNK koji se u ćeliji nalaze blizu jedan drugom, pa daje naznake o tome koji dijelovi pripadaju istoj strukturi hromosoma i kakav im je međusobni položaj. Kombinacija dugih očitavanja i podataka o blizini tih dijelova omogućila je timu da od sastavljanja fragmenata genoma pređe na izradu potpunijih mapa hromosoma.
Šta su istraživači otkrili na krajevima hromosoma?
Jedan od najvažnijih rezultata jeste razjašnjavanje područja blizu krajeva hromosoma, poznatih kao subtelomerne regije. Ona su ranije izmicala genetskim mapama sastavljenim od odvojenih fragmenata. Jedan od razloga je to što DNK u tim područjima sadrži ponavljanja i proširene grupe gena, zbog čega je teže pravilno očitati i složiti njen niz.
Značaj ovih krajeva nije samo u njihovom položaju. U njima se nalaze porodice gena povezane s načinom na koji parazit djeluje na ljudski organizam. Njihovo proučavanje može pomoći u razumijevanju dugotrajnih infekcija, širenja parazita i njegove sposobnosti da izbjegne imunološki odgovor. Kada su ti dijelovi mape jasniji, istraživači mogu proučavati gene koji su u ranijim mapama nedostajali ili bili nepotpuno prikazani, kao i porediti ih među vrstama i uzorcima.
U genomu vrste Plasmodium ovale wallikeri istraživači su uočili više od 2.000 gena iz porodice PIR. Ti geni čine približno četvrtinu genoma tog parazita, što pokazuje koliko je ova porodica gena zastupljena u njegovom genetskom materijalu. Ovo otkriće daje osnovu za istraživanje uloge tih gena i veze između njihove brojnosti i osobina parazita. Ipak, samo po sebi ne znači da je funkcija svakog od tih gena već utvrđena.
Poređenje parazita prikupljenih na istom geografskom području otkrilo je i velike genetske promjene blizu krajeva hromosoma. Ovakav obrazac ukazao je na mogućnost da preslagivanje genetskog materijala doprinosi raznovrsnosti molekula kojima parazit djeluje na ljudski organizam. Ta raznovrsnost mogla bi biti povezana s promjenama u načinu na koji ga prepoznaje imuni sistem, ali za precizno utvrđivanje mehanizama potrebna su dodatna istraživanja.
Genetske promjene kao trag o tome kako se parazit skriva
Geni na krajevima hromosoma mogu se posmatrati kao naročito promjenjivi dijelovi genetske mape. Poređenje uzoraka pokazalo je da ta područja nisu sasvim nepromjenjiva: njihov raspored može se mijenjati, kao i sam genetski materijal u njima. Prvi autor studije, Sunil Duga, istakao je da su potpunije mape pokazale koliko su se porodice gena proširile na krajevima hromosoma. Dodao je da promjene genetskog materijala na tim mjestima mogu pomoći parazitima da se prilagode i izbjegnu odbranu ljudskog organizma.
Ovo tumačenje važno je zato što se odnos parazita i domaćina ne odvija izdvojeno od ostalih procesa u organizmu. Ako se promijene geni povezani s tim odnosom, mogu se promijeniti i načini na koje parazit djeluje na imuni sistem ili način na koji infekcija traje. Ipak, genetske mape same po sebi ne dokazuju da određena promjena neposredno omogućava izbjegavanje imunološke odbrane. One pružaju preciznije podatke i otvaraju pitanja koja se mogu provjeriti, a istraživačima omogućavaju da odrede gdje se promjene javljaju i da ih porede u različitim uzorcima.
Mogućnost poređenja triju vrsta otvara i bolje temelje za evolucijska i genetska istraživanja. Umjesto da složeni dijelovi nedostaju na mapi, istraživači ih sada mogu proučavati u okviru cijelog hromosoma i pratiti razlike među porodicama gena kod vrsta Plasmodium ovale, Plasmodium vivax i Plasmodium falciparum. To može pomoći istraživanjima o opstanku, širenju i raznolikosti parazita — pitanjima na koja je teško odgovoriti kada su genetski podaci nepotpuni.
Od genetske mape do praćenja i dijagnostike
Vrijednost ovih mapa prevazilazi osnovna biološka istraživanja. Kvalitetne genetske mape mogu pomoći u unapređenju molekularnih dijagnostičkih testova, odnosno testova kojima se u uzorku traži genetski materijal parazita. Što je referentni genetski niz potpuniji, istraživači lakše mogu procijeniti koja su mjesta pogodna za prepoznavanje različitih vrsta i izbjeći oslanjanje na podatke koji predstavljaju samo jednu vrstu uzročnika malarije.
To je važno i zato što malariju koju ne izaziva Plasmodium falciparum može biti teško dijagnosticirati. Te vrste mogu biti prisutne i u područjima u kojima se širenje vrste Plasmodium falciparum smanjuje. Ako nisu jasno obuhvaćene sistemima praćenja, podaci možda neće prikazati sve parazite koji su prisutni niti stvarnu rasprostranjenost bolesti. Novi podaci zato bi mogli proširiti genetsko praćenje i poboljšati mogućnost da se promjene među parazitima prate u različitim zajednicama i uzorcima.
Genetske mape mogu podržati i potragu za mogućim ciljevima za liječenje, kao i proučavanje reakcije grupa parazita na terapiju i mjere suzbijanja bolesti. Poređenje nizova u različitim vremenskim periodima ili među uzorcima može otkriti promjene koje treba pratiti, uključujući i one koje bi mogle biti povezane s otpornošću na lijekove. Međutim, studija ne objavljuje otkriće nove otpornosti niti nudi gotov lijek. Ona pruža genetski resurs koji se u budućim istraživanjima može koristiti za bolje praćenje ovih pitanja.
Mara Lönnqvist, istraživačica koja je vodila studiju u Wellcome Sanger Institute, smatra da standardne referentne mape za ove zanemarene parazite popunjavaju važnu prazninu u istraživanju malarije. To je neposredno važno i za planiranje mjera suzbijanja bolesti: kada znamo koje vrste kruže u zajednici i možemo ih genetski porediti, stičemo potpuniju sliku nego kada se pažnja usmjerava samo na Plasmodium falciparum.
Sljedeći korak u istraživanju malarije
Studija donosi novi istraživački resurs, ali ne daje konačne odgovore na sva pitanja o ovim parazitima. Mape omogućavaju pristup dijelovima genoma koji su ranije bili nedostupni, no za razumijevanje uloge proširenih porodica gena i njihovog uticaja na infekciju i imunitet potrebna su dodatna istraživanja. Poređenje uzoraka osam učesnika iz jednog područja važna je polazna tačka za genetska istraživanja, ali ne može zamijeniti proširenje uzoraka kada se proučava raznolikost parazita u drugim mjestima.
Snaga ovog pristupa ogleda se u tome što pokazuje da se mape hromosoma mogu napraviti i na osnovu uzoraka prirodne infekcije, bez oslanjanja na to da se paraziti neprekidno uzgajaju u laboratoriji. To ne znači da druge metode i alati više nisu potrebni, ali pruža praktičan način za proučavanje vrsta koje je teško umnožavati. Kada budu dostupne unaprijeđene mape, istraživači će moći ispitivati nova pitanja o razlikama među parazitima i pratiti promjene koje bi mogle uticati na dijagnostiku ili suzbijanje bolesti.
Uključivanje slabije istraženih vrsta u genetsko praćenje ima i širi značaj: borba protiv malarije zahtijeva pažnju prema raznovrsnosti njenih uzročnika, a ne samo prema najpoznatijoj vrsti. Ako Plasmodium ovale i Plasmodium vivax ostanu izvan referentnih podataka i sistema praćenja, pojedini aspekti trajanja i širenja bolesti mogli bi ostati nejasni. Ova studija istraživačima daje osnovu da smanje taj nedostatak pomoću potpunijih genetskih mapa na kojima se mogu graditi buduća istraživanja.
Zaključak
Tim iz Wellcome Sanger Institute i Centra za istraživanje i obuku o parazitima i mikroorganizmima u Maliju sastavio je kvalitetne genome triju vrsta iz roda Plasmodium na osnovu uzoraka krvi osam osoba koje su se malarijom zarazile u Faladéu. Koristeći duga očitavanja i metodu Hi-C, istraživači su uredili genetski materijal na nivou hromosoma i proučili teško dostupna područja blizu njihovih krajeva. Među najvažnijim nalazima je više od 2.000 gena iz porodice PIR, koji čine približno četvrtinu genoma vrste Plasmodium ovale wallikeri, kao i velike genetske promjene na krajevima hromosoma. Ovi rezultati ne nude brzo rješenje za malariju, ali donose alate i znanje za bolje proučavanje zanemarenih vrsta te mogu pomoći unapređenju dijagnostike i praćenja, potrazi za mogućim ciljevima liječenja i praćenju odgovora parazita na mjere koje se protiv njih primjenjuju.