Μελέτη μορίων του πρωτόζωου Leishmania που εμπλέκονται στην πρόοδο του κυτταρικού κύκλου

Abstract

Leishmania spp. are obligatory intracellular parasites that cause a wide spectrum of human diseases of major health importance. Leishmaniasis (is considered to be of high significance, responsible for 2 million new cases annually. To control the increasing outbreaks of the disease, new, effective and non-toxic drugs must be discovered. To this end, the analysis of the mechanisms and virulence factors of the parasite that control the cell-cycle and the differentiation process, is of prime importance. Previous studies showed that the episomic overexpression of Leishmania linker histone H1 (LeishH1) leads to a deregulation of the cell-cycle and furthermore to a promastigote – to – amastigote differentiation handicap. These incidents result in a reduction of the parasite’s infectivity in vitro and in vivo. The aim of this study was the identification of molecules that affect the virulence of the parasite, by analyzing the proteome of the parasites overexpressing LeishH1. The comparative proteomic analysis was aimed at the analysis of the LeishH1 biological role and its implication in the Leishmania gene regulation. To identify proteins associated with the avirulent phenotype of the LeishH1 overexpressing parasites, we applied a comparative proteomic approach using 2D electrophoresis. Our results showed that only a small subset of proteins presented differential expression. Among these proteins, three were underexpressed [heat shock protein 83 (HSP83), eukaryotic elongation factor 2(eEF-2), alpha subunit of the mitochondrial processing peptidase (α-MPP)] and two presented a wider isoelectric point (Ip) distribution [α/β tubulin, microtubule associated protein (MAP)]. Real-time RT-PCR analysis, confirmed the above result showing that the overexpression of LeishH1 does not result in a general suppression of transcription but affects a specific group of proteins, at a pre- or post – transcriptional stage. Tubulin, is among the proteins presenting a differential expression pattern. The differential expression of the protein correlates with a more heterogeneous morphology of the LeishH1 overexpressing promastigotes compared to control parasites. Another protein, whose expression is affected from the LeishH1 overexpression, was HSP83 that is known for its protective role in drug-induced apoptosis. More specifically, HSP83 was found to be underexpressed in the LeishH1 overexpressing parasites. In the light of the evidence that there is no general modification of transcription in LeishH1 overexpressing promastigotes, we wanted to determine if there is any change in the levels of HSP83 mRNA. We thus evaluated the levels of HSP83 mRNA from control and LeishH1 overexpressing parasites. From our results, it is evident that no significant differences exist. We then sought to evaluate the translational rates of HSP83 using the metabolic labeling technique. Based on our observation, translation was reduced in the LeishH1 overexpressing parasites. Overall, we may conclude that there is a cross-talk between pathways involved in drug resistance, apoptosis and virulence. Thus, the signals and mechanisms regulating differentiation/virulence and apoptosis/stress response merit in depth investigation as they seem to be the two sides of the same coin.

Τα είδη του γένους Leishmania αποτελούν υποχρεωτικά ενδοκυττάρια πρωτοζωικά παράσιτα που προκαλούν ένα ευρύ φάσμα ασθενειών, τις λεισμανιάσεις. Η λεϊσμανίαση θεωρείται νόσος εξέχουσας σπουδαιότητας, με 2 εκατομμύρια νέα κρούσματα το χρόνο, χρήζουσας μεγάλης κοινωνικής και οικονομικής σημασίας. Για τον έλεγχο των συνεχώς αυξανόμενων κρουσμάτων, είναι επιτακτική ανάγκη η ανάπτυξη νέων μη-τοξικών φαρμάκων που θα στοχεύουν σε μόρια-στόχους σημαντικά για την ολοκλήρωση του παρασιτικού κύκλου ζωής. Κατ’ αυτόν τον τρόπο κρίνεται απαραίτητη η μελέτη μηχανισμών και παραγόντων μολυσματικότητας του παρασίτου, που ελέγχουν τον κυτταρικό κύκλο και τη διαφοροποίηση του παρασίτου. Στα πλαίσια αυτά, έχει δειχθεί ότι η επισωμική υπερέκφραση της συνδετικής ιστόνης Η1 του παρασίτου Leishmania (LeishH1) οδηγεί στην καθυστέρηση της ολοκλήρωσης του κυτταρικού κύκλου, αλλά παράλληλα και στη μείωση του ρυθμού διαφοροποίησης των παρασίτων από προμαστιγωτές σε αμαστιγωτές μορφές, έχοντας σαν αποτέλεσμα τη μείωση της μολυσματικότητας του παρασίτου τόσο in vitro όσο και in vivo. Στόχος αυτής της διατριβής ήταν η ανάδειξη μορίων που επηρεάζουν τη μολυσματικότητα του παρασίτου, μελετώντας το προτέωμα των μη μολυσματικών παρασίτων που υπερεκφράζουν την LeishH1. Η συγκριτική μελέτη των παρασίτων που υπερεκφράζουν τη LeishH1 σε σχέση με τα παράσιτα ελέγχου, είχε επίσης ως σκοπό την περαιτέρω μελέτη του βιολογικού ρόλου της LeishH1 στα παράσιτα και τη διερεύνηση του ρόλου της στη γονιδιακή ρύθμιση του παρασίτου. Η συγκριτική πρωτεομική ανάλυση με ηλεκτροφόρηση δυο-διαστάσεων, των παρασίτων που υπερεκφράζουν την LeishH1 σε σχέση με τα παράσιτα ελέγχου, κατέδειξε πως μόνο μια μικρή ομάδα πρωτεϊνών παρουσιάζει διαφορική έκφραση. Συγκεκριμένα, τρεις πρωτεΐνες [heat shock protein 83 (HSP83), eukaryotic elongation factor 2(eEF-2), alpha subunit of the mitochondrial processing peptidase (α-MPP)] παρουσιάζουν χαμηλότερα επίπεδα έκφρασης ενώ άλλες δυο (α/β τουμπουλίνη, ΜΑΡ) παρουσιάζουν μεγαλύτερη κατανομή έκφρασης. Πειράματα αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφάσης πραγματικού χρόνου, επιβεβαίωσαν το αποτέλεσμα αυτό, υποδηλώνοντας ότι η LeishH1 δεν είναι γενικός καταστολέας της μεταγραφής αλλά επηρεάζει ένα ειδικό υποσύνολο πρωτεϊνών, σε προ- ή μετα-μεταγραφικό επίπεδο. Ανάμεσα στις πρωτεΐνες με διαφορική έκφραση ήταν και η τουμπουλίνη. Η διαφορική έκφραση της πρωτεΐνης αντικατοπτρίζεται άμεσα στη μορφολογία των παρασίτων που υπερεκφράζουν την LeishH1, καθώς τα παράσιτα αυτά παρουσιάζουν μικρότερο και πιο στρογγυλό σχήμα και μεγαλύτερη μορφολογική ετερογένεια. Μια ακόμα πρωτεΐνη με διαφορική έκφραση, ήταν και η HSP83, η οποία παρουσίασε χαμηλότερα επίπεδα. Θέλοντας να εξακριβώσουμε σε ποιο επίπεδο παρεμβαίνει η LeishH1 στο μηχανισμό έκφρασης της HSP83, συγκρίναμε τα επίπεδα του mRNA και η ανάλυση κατέδειξε ότι δεν υπάρχουν διαφορές στα επίπεδα αυτά. Επίσης, μελετήθηκε ο ρυθμός έκφρασης της πρωτεΐνης μέσω της μεταβολικής σήμανσης των πρωτεϊνών και αποκαλύφθηκε πως σε αυτό το στάδιο εντοπίζεται η παρεμβολή της LeishH1, καθώς τα παράσιτα που την υπερεκφράζουν παρουσιάζουν χαμηλότερο ρυθμό έκφρασης της HSP83. Συμπερασματικά διαφαίνεται πως υπάρχει μια συσχέτιση μεταξύ μονοπατιών που εμπλέκονται στην αντίσταση έναντι φαρμακευτικών ουσιών, στην απόπτωση και τη μολυσματικότητα. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, τα ειδικά σήματα και οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν τη διαφοροποίηση/μολυσματικότητα του παρασίτου και την απόπτωση/απόκριση στο στρες, χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης καθώς φαίνεται να αποτελούν τις δυο όψεις του ίδιου νομίσματος.