Один из самых распространенных паразитов на планете может оказаться и одним из самых сложных для изучения. токсоплазма гондии— одноклеточное простейшее — способно инфицировать почти все виды млекопитающих и птиц, включая людей, а в тяжелых случаях вызывает слепоту, врожденные дефекты и смерть. Тем не менее, он размножается половым путем только в кишечнике домашних кошек и других представителей семейства кошачьих, что вызвало противоречивые исследования котят.
Теперь исследовательская группа разработала метод, который использует редактирование генов токсоплазма подтолкнуть паразита к половому развитию в клетках, выращенных в лаборатории. Успех проливает новый свет на эту загадочную фазу жизненного цикла паразита — никаких кошачьих не требуется.
«Это фантастическая работа, — говорит Алекс Розенберг, микробиолог из Университета Джорджии в Афинах, который не участвовал в исследовании. «Раньше мы не могли по-настоящему рассмотреть эти стадии паразита, потому что они не легкодоступны. … Даже если у вас есть кошка, учиться не так-то просто». Техника in vitro, добавляет он, «открывает для нас новое поле».
токсоплазмаЖизненный цикл включает как бесполую фазу, включающую стадии, вызывающие заболевание, так и половую фазу в кошачьем кишечнике. Бесполые версии токсоплазма относительно легко выращивать в лаборатории. Но половые формы — нет, а это означает, что ученые изо всех сил пытались получить полную картину того, как паразит размножается и порождает различные штаммы, заражающие людей во всем мире.
Исследователи кормили котят мясом с токсоплазма и собирают спорообразные частицы паразитов, выделяющиеся с фекалиями животных. Затем этих кошек усыпляли, иногда всего через несколько недель, и сжигали, чтобы избежать распространения инфекции.
Эта практика уже давно вызывает этические опасения и вызывает критику со стороны защитников животных. В 2019 году самый известный в США токсоплазма лаборатория прекратить свою работу после того, как он попал под давление из-за заражения и эвтаназии десятков кошек каждый год. Очень немногие лаборатории до сих пор используют кошачьих, и поиск лучшей альтернативы продолжается.
Одна попытка была предпринята несколько лет назад группой под руководством Лауры Нолл из Висконсинского университета в Мэдисоне. Исследователи лечили мышей лекарствами и пищевыми добавками, чтобы сделать кишечник животных более похожим на кишечник кошачьих. токсоплазма из бесполой фазы в половое развитие. Но этот подход был дорогим и не очень практичным, говорит Нолл. Ее группа все еще отрабатывает технику.
В новом исследовании, опубликовано в виде препринта в январе Мохамед-Али Хакими и его коллеги из Университета Гренобль-Альпы попробовали другой подход. Они знали, что вскоре после заражения кошки бесполые токсоплазма начинает производить предполовые клетки, известные как мерозоиты, которые, в свою очередь, продолжают формировать макро- и микрогаметы — паразитарную версию яйцеклеток и сперматозоидов.
Они также знали, что токсоплазма переходит от одной стадии жизни к другой, включая и выключая различные гены. Если бы исследователи смогли воспроизвести эти изменения в лаборатории, рассуждал Хакими, они смогли бы взять бесполого паразита и заставить его сформировать мерозоит даже вне кошки.
Использование технологии редактирования генов CRISPR в токсоплазмаисследователи начали систематически отключать гены белков, известных как факторы транскрипции AP2, которые влияют на гены. активность паразита во время разработка. Одновременное отключение двух из этих факторов, AP2XII-1 и AP2XI-2, имело именно тот эффект, которого хотела команда: паразит отключил гены, связанные с его бесполой фазой, и включил гены, обычно активные у мерозоитов.
«Данные просто прекрасны, — говорит Нолл. Она высоко оценивает количество молекулярных деталей в исследовании группы, выделяя несколько экспериментов, проведенных исследователями, чтобы показать, как факторы транскрипции AP2 взаимодействуют с другими белками и ДНК паразита для регулирования активности генов. «Это очень хорошая, точная биохимия».
Лена Пернас, микробиолог из Института биологии старения им. Макса Планка, среди тех, кто взволнован этим достижением. «Есть много действительно интересных вопросов клеточной биологии, к которым мы могли бы подойти, изучая стадию жизни мерозоитов», — говорит она, не говоря уже о более широких вопросах о токсоплазма биологии, например, почему кошки являются основными хозяевами паразита.
На данный момент техника команды только воспроизводит более ранние этапы токсоплазмаполовое развитие. Лабораторные мерозоиты в исследовании не производили зрелых микро- и макрогамет, то есть не имели пола. «Что-то упущено, и они не могут продвинуться дальше», — отмечает Нолл.
По словам Хакими, вполне возможно, что правильное формирование гамет происходит только в присутствии какого-то специфического ингредиента кошачьего кишечника. Или, возможно, ученые могли бы манипулировать дополнительными факторами транскрипции, чтобы запустить этот шаг — что сейчас исследует его группа, добавляет он.
Такое исследование могло бы сделать больше, чем просто спасение кошачьих жизней. Хакими, который уже сделал генетически отредактированную команду токсоплазма штаммов, доступных для других исследовательских групп, говорит о лучшем знании токсоплазма разработка может помочь ученым найти лекарства, которые останавливают или ускоряют различные стадии жизненного цикла паразита и, возможно, блокируют его от заболевания.
Получающий токсоплазма Половое размножение в лаборатории также открыло бы двери для так называемых классических генетических экспериментов, таких как скрещивание различных штаммов токсоплазма. Это может помочь исследователям идентифицировать гены вирулентности и других признаков, связанных с болезнью.. «Это было бы потрясающе, — говорит Нолл. «Это определенно делает нас еще на один шаг вперед».