W jaki sposób będą się szerzyć epidemie? Co groźnego dla naszego zdrowia dzieje się na styku genów zwierząt i bakterii? Badania prof. Jacka Radwana z Wydziału Biologii UAM nad koewolucją nornic i bakterii z rodzaju Borrelia pozwolą odkryć wiele tajemnic.
Prof. Jacek Radwan, biolog ewolucyjny, bada, czy i w jaki sposób układ odpornościowy organizmów żywych i atakujące go patogeny współzależnie ewoluują. “Tutaj, aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec, ile sił” - słowa Czerwonej Królowej z “Alicji po drugiej stronie lustra” biolodzy ewolucyjni przytaczają dla zilustrowania nieprzerwanego wyścigu zbrojeń między gospodarzem a pasożytem. Badacze sądzą, że obie strony muszą modyfikować swoje białka, żeby przeżyć, jednak do tej pory nie udokumentowano tego procesu w naturze. - Proces był postulowany wiele lat temu, ale poza prostymi systemami, jak bakterie i wirusy hodowane w laboratorium, nie udało się go w warunkach naturalnych w pełni zaprezentować – powiedział prof. Radwan, kierujący Pracownią Biologii Ewolucyjnej na Wydziale Biologii UAM.
Uczony, wyróżniony niedawno Nagrodą Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, ma już sukcesy na tym polu. Razem z międzynarodowym zespołem naukowców wykazał, że nowe warianty genów systemu odpornościowego (kompleks zgodności tkankowej MHC), do których pasożyty nie zdążyły się przystosować, pozwalają gospodarzom skutecznie z nimi walczyć. Okazało się to podczas eksperymentów na tropikalnych rybkach - gupikach i ich pasożytach - przywrach. Wyniki badań opublikowało prestiżowe amerykańskie czasopismo PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences). - Teraz chcemy tę historię domknąć, dodając geny pasożyta i do tego użyjemy nowego systemu – nornic i bakterii z rodzaju Borrelia.
Pasożyty kradną białka, a gospodarz mutuje
Prof. Jacka Radwana szczególnie interesują dwa białka. Czynnik H (w skrócie CFH), który jest składnikiem tzw. układu dopełniacza u gospodarza (część wrodzonego układu immunologicznego kręgowców) oraz białko powierzchniowe OspE u bakterii. Organizm gospodarza wykorzystuje CFH do oznaczenia własnych komórek, dzięki czemu układ dopełniacza rozpoznaje je jako “swoje”, co zapobiega ich niszczeniu. Natomiast białko OspE krętków borrelii oszukuje obronę gospodarza, “podkradając” białko CFH i przyczepiając je do siebie. - Oba białka bardzo szybko ewoluują, zarówno u nornic, jak i u borrelii. Chcemy zobaczyć, jak to działa - tłumaczy prof. Jacek Radwan. - Sądzimy, że nornice z jednej populacji będą niewrażliwe na atak borrelii pochodzących z drugiej populacji, nie przystosowanych do podkradania gospodarzom wariantów CFH z charakterystycznych dla tej populacji.
Czytaj też: Dr Andrzej Zieleziński. Sposób na superbakterie
Borelioza niejedną ma twarz
Sposób, w jaki różne właściwości borrelii zmieniają się w czasie pod wpływem koewolucji z gospodarzami, może mieć konsekwencje dla zdrowia ludzi. Białka bakterii nieustannie ewoluują, żeby skutecznie infekować nornice, a z kolei geny nornic mutują, by podnieść odporność na borrelię i tak w kółko. Co prawda, nie jesteśmy docelowymi gospodarzami dla borrelii, ale mimo to bakterie potrafią wywołać w naszych organizmach poważne infekcje.
Nornice, główni nosiciele borrelii w Europie, rozprzestrzeniły się na terenie naszego kraju z trzech refugiów czyli miejsc, które przetrwały ostatnie zlodowacenie - mówi się o linii karpackiej, wschodniej i zachodniej. Okazuje się, że nornice po ustąpieniu lodowca nie do końca się wymieszały. Naukowcy wiedzą, że białka CFH w tych populacjach są odmienne. To samo dotyczy genów OspE Borrelii. To pozwala testować, czy koewolucja prowadzi do zmian infekcyjności Borrelii w stosunku do genotypów gospodarzy, z którymi wcześniej współwystępowały.
- Podejrzewamy, że różne właściwości białek OspE borrelii wpływają na przebieg boreliozy także u człowieka. Wobec tego choroba może rozwijać się różnie, w zależności od tego, czy bakteria pochodzi ze wschodniej czy zachodniej Polski. Poznanie koewolucji nornic i borrelii może nam pomóc przewidzieć, w jaki sposób będą się szerzyć epidemie, również wśród ludzi – mówi prof. Jacek Radwan. - Z badaniami podstawowymi zwykle jest tak, że prowadzą do wyników mających zastosowania, o których nawet nie myśleliśmy wtedy, kiedy badania zaczynaliśmy. W tym przypadku też może tak być.
Groźna rekombinacja
Projekt prof. Radwana “Koewolucja gospodarz-pasożyt w strefie wtórnego kontaktu: konsekwencje dla przepływu genów i epidemiologii” będzie realizowany dzięki grantowi Maestro przyznanemu przez Narodowe Centrum Nauki. Badacze zaczną od pozyskania w terenie próbek, które trafią do Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego. Tam bakterie będą hodowane, co pozwoli pozyskać dużo materiału genetycznego i odkryć, co “siedzi” w genomach borrelii. Biolodzy sprawdzą na przykład, czy pozyskane szczepy rekombinują. To bardzo ważne, bo nie brakuje danych, potwierdzających, że szczególnie groźne patogeny powstają w wyniku wymieszania materiału genetycznego dwóch różnych szczepów. - Wydaje się, że rekombinacja może dawać pasożytom olbrzymią przewagę i sprawić, że staną się one szczególnie groźne dla gospodarza – mówi prof. Jacek Radwan. - Na styku między dwiema liniami genetycznymi, zarówno nornic, jak i borrelii może dziać się coś szczególnie groźnego dla naszego zdrowia.
Nowe gatunki dzięki patogenom?
Biolodzy, analizując białka gospodarzy i patogenów, chcą się też dowiedzieć, czy przystosowanie do lokalnych genotypów patogenów może prowadzić do powstania barier rozrodczych, a w dłuższym czasie nawet do powstania nowych gatunków.
Badacze szukają odpowiedzi na pytanie: czy populacje, które były przez dłuższy czas rozdzielone i niezależnie koewoluowały z pasożytami, kiedy się powtórnie zejdą, mogą okazać się już dwoma odrębnymi gatunkami, czy też nie. Do tej pory niewiele danych potwierdza, że pasożyty pomagają w specjacji (powstawaniu gatunków). - Jesteśmy ciekawi, czy nornice z populacji wschodnich będą sobie gorzej radzić z borrelią z zachodu i na odwrót – mówi prof. Radwan. - co stanowiłoby hamulec przepływu genów między wschodem a zachodem.
Luki w doskonałym systemie
To nie pierwszy raz, kiedy nornice pojawiły się w badaniach prof. Radwana. W poprzednim projekcie, również ich dotyczącym, profesor wyjaśnił, skąd biorą się luki w systemie odpornościowym kręgowców. Artykuł opisujący to odkrycie profesora również ukazał się w PNAS. Sprawa wiąże się z genami zgodności tkankowej (MHC), które produkują białka rozróżniające komórki swojego organizmu od organizmów patogennych albo od zmutowanych komórek rakowych. Limfocyty T już we wczesnej fazie rozwoju uczą się rozpoznawania “swojego” od “obcego”, dzięki selekcji opartej na właściwościach ich receptorów TCR. Jeśli zbyt silnie reagują one z własnymi białkami, mogłyby stanowić dla organizmu zagrożenie, dlatego już na etapie edukacji są usuwane z organizmu.
- Wydaje się, że im większy wachlarz białek MHC prezentujemy, tym więcej limfocytów ulega zniszczeniu. – wyjaśnia prof. Jacek Radwan - Teraz rozumiemy, dlaczego mamy stosunkowo niewiele genów MHC. Jeśli byłoby ich więcej, to potrafilibyśmy co prawda odpowiedzieć na niemal wszystkie patogeny, ale mielibyśmy za mało limfocytów T, żeby obronić organizm. Jest to jeden z kompromisów ewolucyjnych, które sprawiają, że nie jesteśmy doskonali - wyjaśnia biolog.
AKTUALIZACJA z 04.11.2020: Prof. Jacek Radwan został laureatem Polskiego Nobla! Naukowiec został doceniony w obszarze nauk o życiu i o Ziemi za wykazanie roli ewolucyjnego mechanizmu optymalizacji zmienności genetycznej w kształtowaniu odporności na patogeny i tolerowaniu własnych antygenów.
Nagroda Fundacji na rzecz Nauki Polskiej jest przyznawana za szczególne osiągnięcia i odkrycia naukowe, które przesuwają granice poznania i otwierają nowe perspektywy poznawcze, wnoszą wybitny wkład w postęp cywilizacyjny i kulturowy naszego kraju oraz zapewniają Polsce znaczące miejsce w podejmowaniu najbardziej ambitnych wyzwań współczesnego świata. To nagroda indywidualna, przyznawana przez Radę FNP w drodze konkursu w czterech obszarach: nauk o życiu i o Ziemi, nauk chemicznych i o materiałach, nauk matematyczno-fizycznych i inżynierskich oraz nauk humanistycznych i społecznych. Kandydatów do tego wyróżnienia zgłaszają wybitni przedstawiciele nauki zaproszeni imiennie przez Zarząd i Radę Fundacji. Rada FNP pełni rolę Kapituły konkursu i dokonuje wyboru laureatów na podstawie opinii niezależnych ekspertów i recenzentów – głównie z zagranicy - oceniających dorobek kandydatów.
