Грибковые инфекции, особенно у людей с ослабленным иммунитетом, ежегодно становятся причиной почти четырёх миллионов смертей, однако существующие методы лечения ограничены и часто неэффективны. Учёные из Института медицинских исследований Стоуэрса и Университета Джорджии выяснили, как выживает смертельно опасный патогенный грибок Cryptococcus neoformans, что позволило им определить потенциальные новые терапевтические мишени для лечения.
Исследование, опубликованное в PLoS Biology, усовершенствовало генетический инструмент для выявления генов C. neoformans, необходимых для выживания грибка. Важно отметить, что исследовательская группа обнаружила более 1400 таких генов, включая более 300, которые не имеют сходства с генами человека, что делает их перспективными мишенями для разработки новых противогрибковых препаратов с пониженным риском побочных эффектов.
«Cryptococcus neoformans убивает около 150 000 человек в год. Это заболевание, определяющее СПИД у большинства ВИЧ-инфицированных пациентов. Существующие методы лечения ограничены, а результаты часто неутешительны», — сказал ведущий автор Блейк Биллмайр, доктор философии, доцент Университета Джорджии и бывший научный сотрудник в лаборатории ассоциированного исследователя Стоуэрса Сары Зандерс, доктор философии. «Существует острая необходимость в разработке новых методов лечения, и это исследование предоставляет нам атлас».
Хотя генетически люди и грибы имеют мало общего, мы удивительно похожи, что исторически затрудняло разработку противогрибковых препаратов. Выявление у патогенных грибов генов, не имеющих аналогов у человека, имеет решающее значение для определения потенциальных противогрибковых средств, не наносящих вреда клеткам человека.
Команда обнаружила 302 идеальные терапевтические мишени в C. neoformans. Однако, поскольку разработка лекарств обходится дорого, исследователи также определили подмножество из примерно 30 генов, которые сохраняются у многих патогенных грибов, или 30 потенциальных терапий, которые могли бы уничтожить большинство грибковых возбудителей.
«Большой вопрос в биологии заключается в том, какие гены необходимы для жизни, а также как они могут меняться в ходе эволюции», — сказала Зандерс. «Проект Блейка TN-seq открывает двери для полногеномных исследований важных признаков у патогенных грибов и ускорит темпы открытия лекарств».
Для исследования команда использовала генетическую технику, называемую секвенированием транспозонного мутагенеза, или TN-seq, при которой они повреждали геном C. neoformans, бомбардируя миллионы клеток небольшими сегментами ДНК, называемыми транспозонами.
«Аналогия, которую мы используем для объяснения TN-seq, восходит ко Второй мировой войне, — сказал Биллмайр. — Самолёты-истребители, возвращающиеся в ангары, были обследованы на предмет пулевых повреждений, чтобы разработать способы их усиления. Однако области самолётов, не имеющие повреждений, не обязательно были лучше укреплены, а просто не были нанесены на карту, потому что самолёты не возвращались — явление, называемое смещением выживаемости».
Транспозоны, попадающие в основные гены, вызывают гибель грибковых клеток. Секвенируя ДНК выживших клеток, исследователи могут определить, какие гены жизненно важны для выживания, а какие — нет.
TN-seq широко использовался для бактерий и более изученных видов грибов, таких как пекарские дрожжи. Это первый раз, когда этот подход был адаптирован для C. neoformans. Он позволил команде создать библиотеку мутантов для C. neoformans — с миллионами индуцированных транспозонами мутаций, включая те, что в ДНК, которые регулируют основные гены. Исследователи могли задавать более тонкие вопросы, например, какие гены способствуют не только выживанию, но и устойчивости к противогрибковым препаратам.
«Традиционные методы включают удаление одного гена за раз, но TN-seq позволяет нам делать делеции для всего генома, что позволяет нам быстро определить набор основных генов в Cryptococcus, — сказал Биллмайр. — Кроме того, мы также смогли использовать этот инструмент для тестирования как основных, так и второстепенных генов, которые придают устойчивость к наиболее распространённому противогрибковому препарату, флуконазолу».
Биллмайр планирует изучить, как грибы эволюционируют, чтобы расти при высоких температурах, что является ключом к пониманию патогенности. «Моя лаборатория сейчас пытается понять сеть генов, которая позволяет грибковым патогенам расти при температуре человеческого тела, — сказал Биллмайр. — Это может сообщить нам, что может произойти в будущем, если повышение глобальной температуры заставит разные виды грибов приобрести патогенные свойства».