Tragom zvezda

Srpasta anemija: Fascinantna priča o tome kako čak i najmanja mutacija na genu uz prirodnu selekciju može uzrokovati krupne promene na ljudskoj vrsti

Kad se otprilike pre nekih 150,000 godina Homo sapiens krenuo raseljavati van Afričkog kontinenta, šireći se postepeno po svim kontinentima, nailazio je na mnoge izazove. Krećući se iz vrućih i suvih afričkih savana, populacija se prilagodjavala selektivnim pritiscima lokalnih uslova na koje je nailazila. Generacije su postepeno menjale i fiziologiju i spoljašnji izgled. Neke od tih promena su na primer boja kože, koja je postajala svetlija nakon života u predelima sa manje sunca (Lamason et al., 2005). Populacije čiji su članovi pili mleko domaćih životinja zadržavale su veću sposobnost probavljanja laktoze i u odraslom dobu. Ovo je bila karakteristika, koju su populacije u čijoj ishrani nije bilo mleka, gubile ubrzo nakon detinjstva (Tishkoff et al., 2007).

Jedna od takvih posledica selektivnog pritiska je i priča o srpastoj anemiji i otpornost na malariju koju ćemo ovde pokušati opširnije i detaljnije opisati. Priča je malo duža ali fascinantna jer pre svega govori o tome kao jedna ista mutacija ne genu može istovremeno biti i pogubna i korisna, sve s obzirom na date uslove iz okruženja.

Priča kreće prvo od genetskih mutacija. Podsetimo se ukratko, mutacije su promene u genetskom kodu, do kojih može doći na mnoge načine, recimo kada se ćelija deli pa jedna ili više od milijardi baza unutar DNK bude nepravilno iskopirana, ili se DNK ošteti tokom života ćelije, kroz spoljne otrove ili UV zračenje, itd. Iako su naše ćelije razvile sistem kontrole da do takvih grešaka ne dodje, nekada čak i ti sistemi znaju da otkažu i izazovu grešku. Priroda nekad greši – to je fakat. Nekada (izuzetno retko) neke od tih grešaka mogu pružiti poboljšanja na organizmu ali u većini slučajeva takve greške su neutralne ili štetne.

SNP i varijacija na jedinkama iste vrste
kao posledica promene jedne nukleobaze

Mutacije na samim genima mogu biti veoma štetne, mnoge od njih su letalne (smrtonosne). Razlog je taj što geni utiču na ekspresiju različitih karakteristika organizma preko biohemijskih procesa. Nekada gen može bitno promeniti svoju ekspresiju bez obzira što je mutacija takva da se sastoji od promene bukvalno jedne nukleobaze koja se vezala na pogrešno mesto unutar DNK. Recimo, umesto jednog slova T (Timin) dodje A (Adenin) ili se umesto jednog G (Guanin) vezao C (Citozin).

Šta je to srpasta anemija i kako uopšte nastaje?

Tako zamenjena slova (tj. nukleobaze) na genima mogu putovati veoma dugo kroz generacije. Naučnici ih nazivaju i kao SNP (Single Nucleotide Polymorphism) što predstavlja lokaciju na DNK gde se bukvalno jedno slovo razlikuje od osobe do osobe. Neki SNP su povezani i sa varijacijama na različitim ljudskim fenotipima.

Jedan takav SNP putuje i dan danas kao recesivan gen koji uzrokuje ozbiljnu promenu na hemoglobinu koja kod ljudi uzrokuje da njihova krvna zrnca poprime srpasti oblik i kao takva zagušuju krvne sudove. Bolest poznata kao srpasta anemija (engl. Sickle Cell disease) koja spada u grupu krvnih bolesti, iliti hemoglobinopatija – kako bi to rekla savremena medicina.

Jedna pogrešan nukleotid na genu za hemoglobin čini da umesto normalnog hemoglobina (HbA)
dobijemo hemoglobin S (HbS) koji izaziva srpasti oblik eritrocita.

Kako to gen modifikuje hemoglobin ?

Hemoglobin je, kao što znamo, ključan za život nas kičmenjaka. On se nalazi u našim crvenim krvnim ćelijama  (eritrocitima) i služi da prenosi kiseonik kroz našu krv do ostalih ćelija tela. Razlog zašto baš hemoglobin omogućava prenos kiseonika leži u njegovoj hemijskoj sposobnosti da pravi labave i reverzibilne veze sa atomima kiseonika. Litar krvi u proseku ima oko 140-160g hemoglobina, a svaki gram vezuje oko 1,34 ml kiseonika.

Normalan hemoglobin naziva se i kao HbA (hemoglobin A), i unutar krvne ćelije postoji kao više rasutih jedinica. Za razliku od njega, mutirani hemoglobin koji izaziva srpastu anemiju naziva se HbS. Hemoglobin S ima osobinu da, kada padne koncentracija kiseonika u krvi (odnosno pH vrednost krvi), krene da se kristalizuje u eritrocitima. To utiče na eritrocite tako da počnu da dobijaju srpast (izdužen) izgled i time postaju veoma podložni hemolizi. Ovaj proces je reverzibilan, što znači da se eritrociti vraćaju u prvobitno stanje kada se pritisak kiseonika u krvi poveća.

Medjutim, u fazi dok su eritrociti srpastog oblika, bolesnik sa srpastom anemijom ulazi u začarani krug, gde nizak pritisak kiseonika izaziva pojavu još više srpastih eritrocita (što počinje da dovodi do njihovog raspadanja), a to izaziva još veći pad koncentracije kiseonika u krvi, što dalje vodi do tromboze i infarkta.

Ono što je posebno nezgodno, bolest se ne ispoljava odmah po rodjenju, zbog prisustva hemoglobina F (HbF) u eritrocitima. Šta je sad HbF ?  Naziva se i kao fetalni hemoglobin (jer je prisutan samo u ranom periodu nakon radjanja) ima zaštitnu ulogu jer sprečava taloženje HbS. Pa novorodjenčad ne pokazuju znakove bolesti, sve dok HbF polako ne nestane, tj. dok ga ne zameni HbS, a tada se počinju javljati prvi simptomi srpaste anemije. Stoga, većina bolesnika umre još u mladalačkom dobu.

Zašto se ova štetna mutacija zadržala ovako dugo u fondu gena ? 

Koliko god da je ova genetska bolest pogubna, ispostavlja se da je srpasta anemija i dalje prisutna. Prema onome što znamo o evolucionim mehanizmima, tako mala DNK promena koja izaziva toliko opasnu bolest organizma trebala bi odavno biti eliminisana prirodnom selekcijom i uklonjena iz fonda gena populacije. Ali istraživači su otkrili da SNP koji izaziva srpastu anemiju kruži već hiljadama godina.

Ti rezultati, plus činjenica da je bolest uglavnom prisutna kod ljudi čiji su preci živeli u oblasti subsaharske Afrike, Indije i bliskog istoka ( od 0,3 do 1% zapadnoafričkih crnaca i američkih crnaca oboleva) navelo je naučnike  (još sredinom 20. veka) da razmotre da li gen koji uzrokuje srpastu anemiju daje i neku korist ljudima koji žive u ovim regionima ? Naučnici su još odavno otkrili da je ta evoluciona korist (benefit) – otpornost na malariju. Podsetimo se činjenice, da iako je uzrok malarije otkriven još 1907. (vojni lekar Louis Alphonse) i dan danas u svetu svake godine malarijom se zarazi oko 300 – 350 miliona ljudi, od čega 1,3 miliona umre.

Ženka komarca Anopheles stephensi ujedom prenosi
parazit Plasmodium  koji uzrokuje bolest ljudske malarije

Do danas je otkriveno oko 3,5 hiljade vrsta komaraca na planeti, grupisanih u 41 rod. Ljudska malarija se prenosi samo ženkama komarca iz roda Anopheles. U rodu Anopheles postoji oko 430 vrsta, ali samo 30-40 od njih prenosi malariju. Te vrste se nazivaju i kao “vektorske” za malariju.

Većina slučajeva malarije se dogadja u tropskim krajevima, posebno u subsaharskoj Africi. Uzročnik malarije je parazitski organizam Plasmodium, to je protozoa koja je evoluirala tako da joj je potreban domaćin da obavlja svoj veoma komplikovan životni ciklus i ćelijsku deobu. Taj ciklus se sastoji od više faza i kreće se u stalnom kruženju parazita od komarca ka čoveku i nazad u krug. Evo malo detaljnijeg opisa.

Kada čoveka ubode zaražen komarac (1), on sa sekretima pljuvačnih žlezda ubacuje u krv čoveka i štapićaste sporozoite. Sporozoiti nisu još odrasle jedinke plasmodiuma. Oni se preko krvi raznose po telu i ubrzo završavaju u jetri (2). Kada dospeju u jetru prodiru u njene ćelije gde se dalje transformišu. Dok rastu uzimaju hranljive materije iz ćelija jetre, a zatim se dele šizogonijom (što je naziv za jednu od faza), pri čemu nastaje prva generacija merozoita koji inficiraju nove ćelije jetre. Kada nakon više generacija napune prenasele jetru, merozoiti kreću na eritrocite (3). Dok traje jetrena faza bolesnik nema nikakve simptome bolesti. Medjutim kada predju na eritrocite uzrokuju njihov raspad i kod bolesnika počinju izazivati visoku temperaturu praćenu groznicom. Eritrocitne šizogonije se odvijaju više puta u pravilnim vremenskim razmacima. Kod Plasmodium falciparum-a, ona se odvija svakih 38-48 sati, što se manifestuje visokim temperaturama i opštom malaksalošću. Što kod mnogih bolesnika dovodi i do smrti.

Životni ciklus parazita Plasmodium falciparum  koji uzrokuje ljudsku malariju

Za sve vrste roda Plasmodiuma je karakteristično da posle nekoliko eritrocitnih šizogonija neki merozoiti se u eritrocitima ne dele, već diferenciraju u nezrele gamete (4). Za njih je životni ciklus u telu čoveka završen, a dalji razvoj je jedino moguća opet nazad u komarcu koji će usisati krv zaraženog čoveka (5). Ovime parazit svoj životini ciklus dalje nastavlja u telu komarcu koji će eventualno kasnije opet zaraziti drugog čoveka i tako u krug.

Znamo li u čemu leži tajna otpornosti srpastih krvnih ćelija na malariju ?

U medicinskoj zajednici bilo je veoma dosta pokušaja da se do detalja opiše jasan proces kako i na koji način srpaste ćelije štite bolesnike od malarije. Čime će se obezbediti jasan uvid u razvoj tretmana i mogućih lekova za ovu razornu bolest koja i dan danas nosi veliki broj ljudi.  Tokom više-decenijskog istraživanja taj mehanizam je bio poprilično “neuhvatljiv”. Studija objavljena još tokom 1978. u PNAS govorila je o tome da su srpaste ćelije u stanju da “ubijaju” parazite koji uzrokuju malariju. Smatrano je da ih ubijaju tako što ometaju metabilzam parazita. Druga objašenjenja su bila da srpaste ćelije svojim oblikom mnogo brže putuju kroz krvotok i time smanjuju ukupnu stopu (rate) širenja parazita, omogućavajući imunom sistemu da za to vreme pripremi bolju odbranu.

Vredan je i mukotrpan i detaljan rad, Ane Fereira (2011), post-doktorskog istraživača, a koji je bacio  svetlo na taj proces iz drugog ugla i pokazao da se zapravo ne radi o “ubijanju parazita” već da hemoblogin srpastih ćelija omogućava stvaranje tolerantnosti organizma na parazita. Ana i Miguel Soares vršili su svoje eksperimente na laboratorijskim miševima a koji su bili genetski modifikovani tako da imaju primerke srpastih hemoglobina. Ovi miševi takodje su bili imuni na malariju, te su istraživači na ovaj način mogli istraživati proces reprodukujući isto ono što se dogadja i kod ljudi.

Konačno u studiji objavljenoj u naučnom magazinu Science (Nov. 2011) opisan je kompletan sistem i kako stručnjaci tvrde misterija razrešena. Istraživači su koristili mikroskopiju visoke rezolucije i po prvi put u istoriji uspeli da vizueliziju sistem funkcionisanja malarije.

Slika levo – U crvenim krvnim ćelijama sa normalnim hemoglobinom, parazit koji izaziva malariju – Plasmodium falciparum uspostavlja transportni sistem (žuta boja). Slika desno – Kod crvenih krvnih ćelija sa mutaranim hemoglobinom transposrtni sistem se raspada na manje delove (prikazani žutom bojom) usled čega parazit ne može da obavi ciljani transport proteina na površinu ćelije.

Evo šta je mikroskopija pokazala. Parazit koristi odredjeni protein (actin) iz citoskeleta (ćelijskog skeleta) eritrocita da bi izgradio sopstveni sistem transporta i preneo sebe na zid ćelije, kako tvrdi dr Marek Cirklaff, vodja grupe u Odseku za infektivne bolesti, parazitologiju i glavni autor naučnog rada.

Ono što se zapravo dogadja kod Hemoglobina S (prisutnog u srpastim krvnim ćelijama) je degeneracija  transportnog sistema koji koristi parazit. Ali testovi su  pokazali da nije samo Hemoglobin S odgovoran za to, već degradaciju proizvod ferril hemoglobin. Ovo je nepovratno oštećen, hemijski izmenjen hemoglobin koji više nije u stanju da veže kiseonik. Hemoglobins S je znatno više nestabilniji od normalnog hemoglobina. Kao rezultat toga, krvne ćelije sa ovim varijantama sadrže (10X više nego što je normalno) ferril hemoglobina a tako visoka koncentracija destabilizuje vezivanje gore pomenutog actin proteina i dovodi do raspadanja.

Šire implikacije prirodne selekcije na borbu protiv patogena

Patogeni su možda najintrigantnija od svih snaga koje su oblikovale ljude i životinje. Oni su imali ogroman uticaj na našu evoluciju, ali i oni sami evoluiraju tokom vremena. HbS je možda najočigledniji primer kakav efekat su patogeni ostavili na ljudski genom. (Sabeti et al., 2006). Proučavajući dalje genetičku raznovrsnost patogena, istraživači dolaze i do toga kako su isti evoluirali da bi izbegavali ljudsku imunost, odbranu i terapije.

Takodje, pored malarije i druge bolesti uzrokovane parazitima su oblikovale ljudsku evoluciju i forsirale pojavu otpornih alela. Na osnovu nekih istorijskih podataka iz poslednjeg milenijuma, ove bolesti mogu uključivati i velike boginje, kao i koleru, žutu groznicu, tuberkulozu i kugu koje su pustošile tokom istorije.

Danas, uz pristup nevidjenim količinama podataka za proučavanje ljudskih genetskih varijacija, istraživači mogu pronalaziti takve, na prvi pogled bizarne i veoma udaljene genetske setove putem raznih analitičkih metoda. Na ovaj način, oni mogu da identifikuju i druge genetske varijacije koje omogućavaju otpornost na infektivne bolesti a koje su opstajale i širile se kroz ljudske populacije tokom vremena. Nauka postepeno rasvetljuje prirodne mehanizme odbrane i lagano otkriva fascinatan roman evolucionih pritisaka koji se odvijao na našim precima. Štaviše, iste alatke koje su unele revoluciju u istraživanje prirodne selekcije kod ljudi, sada služe da pruže i pomoć u borbi protiv patogena

RSS
Follow by Email