Один из самых распространенных паразитов на планете также является одним из самых сложных для изучения.
Toxoplasma gondii- одноклеточный простейший, способный заражать почти все виды млекопитающих и птиц, включая человека, и в тяжелых случаях вызывающий слепоту, врожденные дефекты и смерть. Однако токсоплазма размножается только половым путем в кишечнике домашних кошек и других представителей семейства Felidae, что всегда вызывало противоречивые мнения об этичности исследований на котятах.
Недавно исследовательская группа разработала методику, которая использует редактирование генов Toxoplasma, чтобы подтолкнуть паразита к половому развитию в клетках, культивируемых в лаборатории. Успех этого метода позволяет по-новому взглянуть на эту загадочную фазу жизненного цикла паразита - и для этого не нужны кошки. "Это фантастическая работа", - говорит Алекс Розенберг, микробиолог из Университета Джорджии, который не принимал участия в исследовании. "Раньше мы не могли рассмотреть эти стадии паразита, потому что они были труднодоступны. Даже если у вас есть кошка, ее не так просто изучить". Техника in vitro, добавляет он, "открывает для нас новое поле деятельности".
Жизненный цикл Toxoplasma включает в себя как бесполую фазу - включающую стадии, вызывающие заболевание, так и половую фазу - в кошачьем кишечнике. Асексуальные версии Toxoplasma относительно легко выращивать в лаборатории. Но половые формы - нет, поэтому ученым с трудом удается получить полное представление о том, как паразит размножается и дает начало различным штаммам, инфицирующим людей по всему миру.
Раньше исследователи кормили котят мясом, зараженным токсоплазмой, и собирали спороподобные частицы паразита, попавшие в фекалии животных. Затем эти кошки подвергались эвтаназии, иногда всего через несколько недель, и кремировались, чтобы избежать распространения инфекции. Эта практика давно вызывает этические сомнения и критику со стороны защитников животных. В 2019 году самая известная лаборатория токсоплазмоза в США прекратила свою работу после того, как на нее было оказано давление за заражение и эвтаназию десятков кошек каждый год. Очень немногие лаборатории до сих пор используют кошек, и поиски лучшей альтернативы продолжаются.
Одна из попыток была предпринята несколько лет назад группой под руководством Лоры Нолл из Висконсинского университета. Исследователи лечили мышей препаратами и пищевыми добавками, чтобы сделать кишечник животных более похожим на кишечник кошачьих, и успешно перевели Toxoplasma из бесполой фазы в половую. Но этот подход был дорогостоящим и не очень практичным, по словам Нолл. Ее группа продолжает совершенствовать методику.
В новом исследовании, препринт которого был опубликован в январе, Мохамед-Али Хакими и его коллеги из Университета Гренобля попробовали пойти другим путем. Они знали, что вскоре после инфицирования кошки бесполая Toxoplasma начинает создавать предполовые клетки, известные как мерозоиты, которые в свою очередь образуют макро- и микрогаметы - паразитарные версии яйцеклеток и сперматозоидов. Они также знали, что Toxoplasma переходит от одной жизненной стадии к другой путем включения и выключения различных генов. Если исследователи смогут воспроизвести эти изменения в лаборатории, рассуждал Хакими, они смогут взять бесполого паразита и заставить его сформировать мерозоит даже вне кошки.
Используя технологию редактирования генов CRISPR в Toxoplasma, исследователи начали систематически отключать гены белков, известных как факторы транскрипции AP2, которые влияют на активность генов во время развития паразита. Одновременное отключение двух из этих факторов, AP2XII-1 и AP2XI-2, дало именно тот эффект, которого хотела команда: оно заставило паразита выключить гены, связанные с его бесполой фазой, и включить гены, обычно активные в мерозоитах.
"Данные просто прекрасны", - отмечает Нолл. Она высоко оценивает количество молекулярных деталей в исследовании ученых, выделяя несколько экспериментов, которые исследователи провели, 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 имени Макса Планка, относится к числу тех, кто взволнован этим достижением. "Есть много действительно интересных вопросов клеточной биологии, к которым мы могли бы подойти, изучая жизненную стадию мерозоита", - говорит она, не говоря уже о более широких вопросах биологии Toxoplasma, например, почему кошки являются основными хозяевами паразита.
Пока что методика группы воспроизводит только ранние стадии полового развития токсоплазм. Созданные в лаборатории мерозоиты в исследовании не развивались до зрелых микро- и макрогамет, что означает отсутствие полового развития. "Чего-то не хватает, чтобы они не смогли продвинуться дальше", - отмечает Нолл. Возможно, правильное формирование гамет происходит только в присутствии какого-то определенного ингредиента кошачьего кишечника, рассуждает Хакими. Или, возможно, ученые могут манипулировать дополнительными факторами транскрипции, чтобы запустить этот этап - то, что сейчас изучает его группа, добавляет он.
Такие исследования могут не только спасти кошачьи жизни. Хакими, который уже предоставил отредактированные гены штаммов Toxoplasma другим исследовательским группам, говорит, что более глубокие знания о развитии токсоплазм могут помочь ученым найти лекарственные препараты, которые приостанавливают или ускоряют различные стадии жизненного цикла паразита и, возможно, блокируют возможность вызвать заболевание.
Получение Toxoplasma для полового размножения в лаборатории также откроет возможности для проведения так называемых классических генетических экспериментов, таких как скрещивание различных штаммов токсоплазм. Это могло бы помочь исследователям выявить гены вирулентности и других признаков, связанных с заболеванием. "Это было бы потрясающе", - замечает Нолл. "Это определенно продвигает нас еще на один шаг вперед".
