Τα δίκτυα ξεμπερδεύουν τη θανατηφόρα σύγχυση της ελονοσίας

«Σκεφτείτε μια τράπουλα», είπε ο Dan Larremore. Τώρα, πάρτε ένα ψαλίδι και κόψτε τα 52 φύλλα σε κομμάτια. Πέτα τα στον αέρα. Τα κομφετί με κάρτες πέφτουν βροχή, οπότε τα κομμάτια δεν είναι πουθενά εκεί που ξεκίνησαν. Τώρα κολλήστε τα σε 52 νέες κάρτες, το καθένα ένα μωσαϊκό των αρχικών καρτών. Μετά από 48 ώρες, επαναλάβετε.

Μόλις επαναλάβατε τη διαδικασία του Plasmodium falciparum χρησιμοποιείται για την αποφυγή του ανοσοποιητικού συστήματος. Π. falciparum είναι το πιο επικίνδυνο παράσιτο της ελονοσίας στον κόσμο, που προκαλεί 600.000 θανάτους κάθε χρόνο και σκοτώνει περισσότερα παιδιά κάτω των 5 ετών από οποιαδήποτε άλλη μολυσματική ασθένεια στον πλανήτη. Ο Larremore, ένας εφαρμοσμένος μαθηματικός, μυήθηκε στις ακατάλληλες συνήθειές του ενώ έκανε μεταδιδακτορική έρευνα σε αυτό που σήμερα είναι το Harvard T.H. Chan School of Public Health.

Κάθε κάρτα αντιπροσωπεύει ένα γονίδιο για μια πρωτεΐνη που προσκολλάται στα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων του ξενιστή, αγκυροβολώντας το παράσιτο έτσι ώστε να μην μπορεί να συρθεί στον σπλήνα, όπου θα ανιχνευόταν και θα καταστραφεί. Κάθε falciparum παράσιτο έχει 50 έως 60 από αυτά τα var γονίδια, όπως ονομάζονται, και όσο περνάει ο καιρός το παράσιτο χρησιμοποιεί πρώτα ένα και μετά ένα άλλο, παρουσιάζοντας ένα συνεχώς μεταμορφωμένο πρόσωπο στα κύτταρα του ανοσοποιητικού που μπορεί να το εντοπίσουν να προσκολλάται στο αιμοφόρο αγγείο. Η κορυφαία δόξα αυτής της τακτικής, ωστόσο, είναι ότι όταν το παράσιτο διαιρείται, κάτι που κάνει κάθε δύο μέρες, κομμάτια και αποσπάσματα των γονιδίων αλλάζουν θέσεις πάνω-κάτω στα χρωμοσώματα. Σε ένα στα 500 παράσιτα, αυτή η διαδικασία θα δημιουργήσει ένα εντελώς νέο γονίδιο. Με τον αριθμό των παρασίτων εκεί έξω, αυτό αθροίζεται γρήγορα. "Είναι τρελό. Σημαίνει τον συνολικό αριθμό των var Οι αλληλουχίες γονιδίων στον κόσμο είναι εκατομμύρια και εκατομμύρια — ουσιαστικά άπειρες», δήλωσε ο Antoine Claessens, ερευνητής ελονοσίας στο Ιατρικό Ερευνητικό Συμβούλιο, The Gambia Unit, στο Fajara.

Νέα στοιχεία από τον Larremore και τους συνεργάτες του, ωστόσο, αποκαλύπτουν μια παράδοξη σταθερότητα σε αυτά τα γονίδια. Σε μια πρόσφατη εργασία στο Nature Communications, δείχνουν ότι ενώ var Τα ίδια τα γονίδια δεν επαναλαμβάνονται ποτέ, σύντομες αλληλουχίες DNA σε αυτά - κομμάτια κομμένης κάρτας - μοιράζονται μεταξύ ειδών που είναι χωριστά για εκατομμύρια χρόνια. Είναι ένα εύρημα που έκανε ορισμένους ερευνητές της ελονοσίας να αισθάνονται αισιόδοξοι, επειδή υποδηλώνει ότι υπάρχουν όρια στην τρελή ανακατασκευή του var γονίδια, που θα μπορούσε να σημαίνει ότι μπορούν να αναπτυχθούν εμβόλια για την καταπολέμησή τους.

Τεμαχισμός και κοπή σε κύβους

«Θέλουμε να μάθουμε βασικά πράγματα», είπε η Caroline Buckee, επιδημιολόγος στο Harvard T.H. Chan School of Public Health και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης. «Υπάρχουν ορισμένα παράσιτα που προκαλούν ασθένειες περισσότερο από άλλα; Έχουν εξελικτική σχέση μεταξύ τους; … Αυτές οι ερωτήσεις, που στα περισσότερα παθογόνα μπορούμε να καταλάβουμε πώς να απαντήσουμε, δεν έχουν απάντηση [στην ελονοσία], επειδή δεν ξέρουμε πώς να συγκρίνουμε αυτά τα γονίδια μεταξύ τους."

Το συνηθισμένο εργαλείο για μια τέτοια εργασία είναι ένα φυλογενετικό δέντρο. Στη βάση του δέντρου βρίσκεται η παλαιότερη έκδοση ενός γονιδίου και καθώς οι κόρες του συγκεντρώνουν μικρές διαφορές - μια ενιαία αλλαγή βάσης DNA εδώ, μια ενιαία αλλαγή βάσης εκεί - γίνονται ξεχωριστοί κλάδοι. Τα δέντρα χτίζονται με την επένδυση των γονιδίων το ένα δίπλα στο άλλο και τον έλεγχο για διαφορές σε κάθε βάση DNA. Τα δέντρα βοήθησαν στη μελέτη της απόκλισης των γονιδίων σε ιούς όπως η γρίπη, η οποία αλλάζει μέσω μιας τέτοιας διαδικασίας μετάλλαξης.

Οι ερευνητές της ελονοσίας τα έχουν χρησιμοποιήσει επίσης, αλλά με ανάμεικτα αποτελέσματα. Ένα ζευγάρι var τα γονίδια μπορεί να έχουν ένα κομμάτι 30 κοινών βάσεων DNA, αλλά αν αυτό το κομμάτι βρίσκεται στην αρχή ενός γονιδίου και στο τέλος ενός άλλου - κάτι που συμβαίνει όλη την ώρα στη διαδικασία ανακατέματος - ένα δέντρο θα το ονομάσει διαφορά αντί για κοινότητα. Εάν το κομμάτι όντως βρίσκεται στην ίδια θέση και στα δύο γονίδια, ένα δέντρο θα πει ότι τα γονίδια αποκλίνουν πρόσφατα, αλλά το κομμάτι θα μπορούσε εξίσου να έχει φτάσει πριν από δύο ημέρες σε ένα γονίδιο και πριν από ένα χρόνο σε ένα άλλο. Όλα αυτά σημαίνουν ότι τα δέντρα χτίστηκαν από var Τα γονίδια στην καλύτερη περίπτωση είναι δύσκολο να ερμηνευτούν, και στη χειρότερη παραπλανητικά, υπονοώντας σχέσεις όπου δεν υπάρχουν. «Είναι χυλός. Αυτός είναι ο τεχνικός όρος», αστειεύτηκε η Martine Zilversmit, ερευνήτρια ελονοσίας στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Νέα Υόρκη.

Αν θέλετε να συγκρίνετε αυτά τα γονίδια, ωστόσο, δεν υπάρχουν πολλές άλλες επιλογές. "Ήταν μια περίπτωση "αυτό είναι το εργαλείο που έχουμε" και όλοι μπλοκάρουν τα δεδομένα τους στο εργαλείο", είπε ο Buckee, ο οποίος άρχισε να μιλά για μια εναλλακτική προσέγγιση με τον συνεργάτη Aaron Clauset, τώρα καθηγητή επιστήμης υπολογιστών. στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, στο Boulder, όταν και οι δύο ήταν μεταδιδακτορικοί.

Το 2012, ο Larremore, τώρα στο Ινστιτούτο Santa Fe στο Νέο Μεξικό, πήρε μια μεταδιδακτορική θέση με τους Buckee και Clauset για να προσπαθήσει να δει εάν η ανάλυση δικτύου, ένα πεδίο που γνώριζε καλά, θα μπορούσε να βοηθήσει στην παροχή ενός εναλλακτικού τρόπου παρακολούθησης της ιστορίας των παρασίτων της ελονοσίας. . Η ανάλυση δικτύου περιλαμβάνει τη δημιουργία συνδέσμων μεταξύ κόμβων που έχουν κάτι κοινό, δημιουργώντας ένα διάγραμμα που μπορεί να αποκαλύψει υποκείμενα μοτίβα. Οι συνδεδεμένοι κόμβοι μπορεί να είναι άτομα που είναι φίλοι σε ένα κοινωνικό δίκτυο, ασθένειες που ταλαιπωρούν τα ίδια άτομα ή γονίδια που μοιράζονται κομμάτια αλληλουχίας.

Εάν δημιουργήσετε ένα δίκτυο στο οποίο var Τα γονίδια συνδέονται μόνο αν μοιράζονται κομμάτια συγκεκριμένου μήκους, τα κοινά ξεπηδούν. Οι Buckee, Larremore και Clauset δημοσίευσαν μια εργασία το 2013 που έδειχνε ότι τέτοια δίκτυα μπορούσαν να επιλέξουν πανομοιότυπες ακολουθίες που μοιράζονταν ο P. falciparum παράσιτα από διαφορετικές ηπείρους. Το να μπορούν να δουν καθαρά αυτές τις σχέσεις βοηθά τους ερευνητές στις προσπάθειές τους να καταλάβουν πώς και γιατί προέκυψαν. Ένας μεγαλύτερος αριθμός κοινών κομματιών σε ένα ζευγάρι γονιδίων θα μπορούσε να σημαίνει ότι μοιράζονται έναν πρόσφατο πρόγονο ή θα μπορούσε να υποδηλώνει ότι οι πρωτεΐνες που παράγουν έχουν παρόμοιο τρόπο αλληλεπίδρασης με το ανοσοποιητικό σύστημα. Τα κομμάτια θα μπορούσαν επίσης να είναι απόδειξη μιας προγονικής κρυφής μνήμης κομμένων κομματιών καρτών που εξακολουθούν να κουβαλούν τα σύγχρονα παράσιτα.

Για να διερευνήσετε εάν var γονίδια υπάρχουν σε άλλα είδη παρασίτων και, αν υπάρχουν, αν μοιράζονται κάποια κομμάτια με το P. falciparum , οι ερευνητές ανέλυσαν δείγματα παρασίτων ελονοσίας από άγριους πιθήκους. Χρησιμοποίησαν παράσιτα από περιττώματα που συλλέχθηκαν στη ζούγκλα και από το αίμα των χιμπατζήδων του ιερού, συγκεντρώνοντας αλληλουχίες DNA από πέντε Plasmodium είδη που μολύνουν γορίλες και χιμπατζήδες, συμπεριλαμβανομένου ενός που είχε ήδη βρεθεί ότι έχει var γονίδια.

Είχαν τύχη:Το var γονιδιακός δείκτης που έψαξαν για να περικοπεί σε τουλάχιστον τρία από τα είδη. Αυτό από μόνο του είναι ενδιαφέρον, γιατί σημαίνει το var Η οικογένεια γονιδίων είναι παλιά — αρχαία, ακόμη και σύμφωνα με τον Thomas Lavstsen, βιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης στη Δανία, ο οποίος μελετά τα γονίδια αλλά δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Όταν η ομάδα δημιούργησε τα δίκτυά της, είδαν κάτι άλλο εντυπωσιακό. Το var τα γονίδια μοιράζονταν κομμάτια από τις πιο μεταβλητές περιοχές τους μεταξύ τους, παρά τα εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης - εκατομμύρια χρόνια κοπής και κοπής σε κύβους - που τα χώριζαν. Το παράσιτο χιμπατζή P. reichenowi συγκεκριμένα είχε τόσες πολλές συνδέσεις με το P. falciparum ότι σε πολλά σημεία στο var γονίδια, είναι δυσδιάκριτα. «Με άλλα λόγια», είπε ο Claessens, «αν σου δώσω ένα [var δείκτης γονιδίου], δεν μπορείτε να μου πείτε αν προέρχεται από το reichenowi ή falciparum .”

Αυτό είναι σημαντικό γιατί σημαίνει ότι για εκατομμύρια χρόνια, το var Τα γονίδια έχουν διατηρήσει τη γενετική ποικιλία που παράγεται από το snip-a-thon τους, αντί να τεμαχίζονται αδιακρίτως. Υπάρχει ένας καλός λόγος για να το κάνουν αυτό, αποδεικνύεται:Μόλις το ανοσοποιητικό σύστημα αρχίσει να αναγνωρίζει ένα κομμάτι var γονίδιο, το παράσιτο βγάζει νεότερες εκδόσεις. Αλλά μετά από λίγο, το παλιό κομμάτι θα είναι αρκετά σπάνιο ώστε το ανοσοποιητικό σύστημα να μην το αναγνωρίζει πλέον, και αν έχει αποθηκευτεί, αντί να καταστραφεί, το παράσιτο μπορεί να το επαναφέρει. Βασικά, αυτή η ανακάλυψη δείχνει ότι αυτά τα παλιά κομμάτια «δεν επιτρέπεται να βυθιστούν στην εξελικτική αφάνεια», είπε ο Zilversmit.

Τα διατηρημένα κομμάτια είναι επίσης ένα σημάδι ότι η ποικιλομορφία των γονιδίων έχει όρια, πρότεινε ο Lavstsen. Εάν το var Η πρωτεΐνη αλλάζει πάρα πολύ, δεν μπορεί πλέον να προσκολληθεί στα αιμοφόρα αγγεία. Το γεγονός ότι αυτά τα κομμάτια έχουν κολλήσει όλα αυτά τα χρόνια δείχνει ότι αποτελούν μέρος της επιλεγμένης σειράς δομικών επιλογών εντός των οποίων η πρωτεΐνη εξακολουθεί να λειτουργεί. Η νέα έρευνα σκιαγραφεί τα όρια ενός εξελικτικού χώρου πέρα ​​από τον οποίο var τα γονίδια δεν μπορούν να τολμήσουν χωρίς να χάσουν τη λειτουργία τους. "Αυτό έχει συνέπειες για το πόσο θα έπρεπε να φοβόμαστε για την ποικιλομορφία της αλληλουχίας" καθώς οι ερευνητές εργάζονται για την ανάπτυξη εμβολίων, είπε ο Lavstsen.

Όπως θα σας πει οποιοσδήποτε ερευνητής εμβολίου κατά της ελονοσίας, η εύρεση μιας μεθόδου για τη συγκεκριμένη τρέλα θα ήταν ευπρόσδεκτη. «Υπήρχαν σκληροπυρηνικά έργα εμβολίου κατά της ελονοσίας που συνεχίζονται εδώ και 40, 45 χρόνια», είπε ο Zilversmit. «Και ήταν πολύ αργή». Τα εμβόλια εκθέτουν το ανοσοποιητικό σύστημα σε ένα θραύσμα μιας πρωτεΐνης παθογόνου που παραμένει το ίδιο από μόλυνση σε μόλυνση, έτσι ώστε το ανοσοποιητικό σύστημα να επιτεθεί όταν συναντήσει την πρωτεΐνη στη συνέχεια. Με τους περισσότερους ιούς, είναι μια λογική προσέγγιση. Με την ελονοσία, είναι σχεδόν αδύνατο. Ακόμη και οι κοινές αλληλουχίες που αποκαλύφθηκαν στο πρόσφατο έγγραφο δεν επαναλαμβάνονται αρκετά συχνά ώστε να είναι χρήσιμοι στόχοι για εμβόλια, είπε ο Lavstsen. «Προσπαθούμε να ξεβιδώσουμε αυτή τη βίδα με κεφαλή Phillips με ένα κατσαβίδι με επίπεδη κεφαλή. Απλώς δεν είναι το σωστό εργαλείο», είπε ο Zilversmit.

Κάπως έτσι, πολλοί άνθρωποι στις ενδημικές χώρες της ελονοσίας αποκτούν φυσική ανοσία στην ασθένεια από την εφηβεία. Οι ερευνητές γνωρίζουν ακόμη ότι το ανοσοποιητικό τους σύστημα το κάνει αναγνωρίζοντας το var- γονιδιακές πρωτεΐνες. Η δυσκολία είναι να βρεις πώς να το κάνεις τεχνητά.

Ο Lavstsen πιστεύει ότι το συνολικό σχήμα της πρωτεΐνης, το οποίο είναι πιθανότατα λιγότερο μεταβλητό από τα γονίδια που την παράγουν, μπορεί να είναι αυτό που αναγνωρίζει το ανοσοποιητικό σύστημα προσδίδοντας φυσική ανοσία. Αυτό θα μπορούσε να είναι καλύτερος στόχος εμβολίου από οποιαδήποτε συγκεκριμένη αλληλουχία, είπε. Για να προσαρμόσετε την αναλογία της τράπουλας, μπορεί να υπάρχει δυνατότητα προετοιμασίας του ανοσοποιητικού συστήματος ώστε να αναγνωρίσει το ορθογώνιο σχήμα μιας κάρτας και όχι τα σχέδια στο πρόσωπό της.

Ο Peter Bull, ερευνητής ελονοσίας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, προσθέτει ότι ένα από τα πράγματα που βρίσκει πιο αξιοσημείωτα στην έρευνα είναι η οπτική που δίνει για την ιστορία του var οικογένεια γονιδίων στους μεγάλους πιθήκους. "Αυτό είναι μια ωραία απεικόνιση του πώς αυτή η οικογένεια γονιδίων υπάρχει στον πληθυσμό των πρωτευόντων για πολύ, πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα", είπε. «Ταιριάζει με την ιδέα όλων αυτών των νέων ανθρωπόμορφων ειδών που έχουν εντοπιστεί στο αρχείο απολιθωμάτων. Μπορεί να υπήρχαν πολλά περισσότερα πρωτεύοντα θηλαστικά πολύ παρόμοια με εμάς σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Ίσως όλοι είχαν αυτό το είδος παρασίτου.»

Ο αποτελεσματικός δολοφόνος

Η αυξανόμενη συνειδητοποίηση ότι var τα γονίδια δεν περιορίζονται στο P. falciparum έχει ωθήσει τους ερευνητές να επαναξιολογήσουν τις φρικτές δυνάμεις των γονιδίων. Το δόγμα εδώ και πολύ καιρό ήταν ότι var τα γονίδια είναι προάγγελοι σοβαρών ασθενειών. Άλλα ανθρώπινα παράσιτα που προκαλούν ελονοσία, όπως το P. vivax , δεν έχουν τα γονίδια και επίσης προκαλούν λιγότερο σοβαρή ασθένεια. «Falciparum ήταν μοναδικό», είπε ο Zilversmit. "Αυτή ήταν η μυθολογία που χτίσαμε γύρω από αυτήν."

Αλλά όταν έγινε σαφές πριν από μερικά χρόνια ότι ένα παράσιτο χιμπατζή είχε var γονίδια, οι ερευνητές άρχισαν να αναρωτιούνται αν είχαν τη σωστή ιδέα. Και η νέα έρευνα ενισχύει την ιδέα ότι η ιστορία μπορεί να είναι πιο περίπλοκη από την παρουσία ή την απουσία αυτών των γονιδίων. Ένα από το falciparum Η χειρότερη τάση του είναι να κολλάει στα μικρά αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου με var γονιδιακές πρωτεΐνες. Στέλνει τους πάσχοντες, κυρίως παιδιά και έγκυες γυναίκες, σε κώμα από το οποίο δεν ξυπνούν. Από τον περιορισμένο αριθμό των ερευνητών που γνωρίζουν για την ελονοσία σε άλλους μεγάλους πιθήκους, δεν είναι σαφές ότι αυτή η εγκεφαλική ελονοσία εμφανίζεται σε πιθήκους που έχουν μολυνθεί με var -παράσιτα που φέρουν γονίδια, παρόλο που τα γονίδια φαίνεται να παράγουν το ίδιο είδος πρωτεΐνης.

«Αλλάζει το είδος της ερώτησης που πρέπει να κάνετε», είπε ο Zilversmit. «Υπάρχει κάτι για το falciparum; 's var συγκεκριμένα γονίδια που τα κάνουν κακά; Ίσως έχει να κάνει περισσότερο με τους ίδιους τους ανθρώπους — ίσως έχει να κάνει με τον ξενιστή και όχι με το παράσιτο. Στην πραγματικότητα, είναι πιθανώς λίγο και από αυτά τα πράγματα. … [Αλλά] θα πρέπει να ψάξουμε πιο προσεκτικά για να μάθουμε."

Ο Larremore και ο Buckee ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τις γνώσεις τους για τα δίκτυα για να απαντήσουν σε άλλες ερωτήσεις σχετικά με τα γονίδια. Πώς μπορεί η έκθεση σε παράσιτα ελονοσίας όταν ένα άτομο είναι νεαρό να επηρεάσει την ανοσολογική απόκριση σε αυτά τα var γονίδια, για παράδειγμα; Δημιουργώντας δίκτυα στα οποία οι κόμβοι θα μπορούσαν να είναι οτιδήποτε, από ασθενείς έως var γονίδια, ίσως είναι δυνατό για τους ερευνητές να παρατηρήσουν αποκαλυπτικά μοτίβα. Αυτό το έργο είναι ακόμα εμβρυϊκό - «Εξακολουθούμε να εργαζόμαστε για να διαβεβαιώσουμε τους εαυτούς μας ότι θα πρέπει να πιστέψουμε το σήμα ότι θα βγούμε έξω», είπε ο Larremore - αλλά ανυπομονεί να δει πού θα τους πάει. "Πιστεύω ότι αυτή είναι μια άλλη ευκαιρία για τα δίκτυα να προσφέρουν."