Functional characterization of a cytosolic malic enzyme crucial for pyridine nucleotide homeostasis, redox balance, and virulence in Leishmania major

Stel je een microscopische wereld voor binnen je lichaam waar piepkleine, eencellige indringers proberen een kamp op te slaan. Deze indringers worden Leishmania genoemd, en zij zijn de schuldigen achter een ziekte genaamd leishmaniasis. Om te overleven, moeten deze parasieten ongelooflijk slimme chemici zijn. Ze leven in twee zeer verschillende buurten: eerst in de darm van een zandvlieg, en later diep in de cellen van zoogdieren (zoals jij of ik). Binnenin jouw cellen is de omgeving zuur, druk en vol met "chemische wapens" (oxidatieve stress) die jouw immuunsysteem gebruikt om de indringers te doden.

Om terug te vechten, hebben de parasieten een constante aanvoer van energie nodig en een manier om die chemische wapens te neutraliseren. Dit is waar een speciale groep moleculen, de "pyridine nucleotiden", in beeld komt. Beschouw deze als de batterijpacks en brandblussers van de parasiet gecombineerd. Sommige versies van deze batterijen (NADPH) helpen bij het bouwen van nieuwe onderdelen, terwijl andere (NAD+) de motor draaiende houden. Als de parasiet zonder deze batterijen komt te zitten of als zijn brandblussers falen, raakt hij overweldigd en sterft hij. Wetenschappers weten al lang dat parasieten een specifiek type enzym gebruiken, een "malic enzyme" (appelzuur-enzym), om te helpen bij het beheren van deze batterijen. Echter, tot nu toe kenden we slechts één versie van dit enzym in Leishmania, en dachten we dat het in de elektriciteitscentrale van de parasiet leefde (de mitochondriën). De grote vraag was: heeft de parasiet een geheim back-upplan, of een tweede gereedschap verborgen ergens anders in zijn lichaam om zijn batterijen opgeladen te houden?

Dit artikel vertelt het verhaal van wetenschappers die dat geheime back-upplan ontdekten. Ze ontdekten een tweede versie van het malic enzym, die ze LmME2 noemden, en het blijkt dat deze zich in de belangrijkste woonkamer van de cel verbergt (het cytosol), en niet in de elektriciteitscentrale. Dit is wat ze vonden:

De ontdekking van de cytoplasmatische spion
De onderzoekers begonnen door naar de instructiehandleiding van de parasiet te kijken (het genoom) en realiseerden zich dat er eigenlijk twee genen voor dit enzym zijn, niet slechts één. Ze bevestigden dat het tweede gen, LmME2, inderdaad actief is in beide stadia van het leven van de parasiet. Met behulp van een slim tagsysteem volgden ze het enzym terwijl het rondbewoog en zagen ze dat het in het cytosol leeft, de geleiachtige vloeistof die de cel vult. Dit was een verrassing omdat de andere versie, LmME1, in de mitochondriën leeft. Het is alsof je ontdekt dat een huis twee verschillende soorten elektriciens heeft: één die werkt in de generatorruimte in de kelder en een andere die in de centrale hal werkt.

De tweerichtingsweg
Toen de wetenschappers het LmME2-enzym zuiverden en dit in een laboratoriumschaaltje testten, ontdekten ze dat het een veelzijdige werker was. Het kon een chemische reactie in twee richtingen uitvoeren: het omzetten van een molecuul genaamd malaat in pyruvaat (waarbij energie vrijkomt), of het omzetten van pyruvaat terug naar malaat (waarbij energie wordt opgeslagen). In een reageerbuis deed het beide taken met vergelijkbare snelheden. Echter, toen ze naar het enzym keken werkend binnen de eigenlijke parasiet, leek het de voorkeur te geven aan het omzetten van pyruvaat terug naar malaat. Waarom? Omdat de interne omgeving van de parasiet vol is met andere chemicaliën die fungeren als verkeersregelaars. De onderzoekers vonden dat moleculen zoals ATP (de energievaluta van de cel), oxaloacetaat en fumaraat regulatoren zijn. Ze kunnen het enzym vertragen of versnellen, afhankelijk van wat de cel nodig heeft. Het is als een slimme thermostaat die de verwarming aanpast op basis van hoe koud de kamer aanvoelt.

De batterijcrisis
Om te achterhalen wat LmME2 daadwerkelijk doet voor de parasiet, gebruikten de wetenschappers een genetische "gum" (CRISPR-Cas9) om het LmME2-gen te verwijderen. Ze creëerden een stam van parasieten die helemaal geen LmME2 bezitten. In het begin zagen deze mutant-parasieten er normaal uit en groeiden ze prima in een petrischaal. Maar toen de wetenschappers hun interne batterijen controleerden, vonden ze een ramp. De mutant-parasieten hadden een groot deel van hun "geoxideerde" batterijen (NAD+ en NADP+) verloren. Interessant genoeg bleven de "geladen" batterijen (NADH en NADPH) grotendeels gelijk. Dit suggereert dat LmME2 niet alleen nieuwe energie maakt, maar cruciaal is voor het recyclen van de oude batterijen, zodat de cel niet zonder grondstoffen komt te zitten. Zonder LmME2 stort het batterij-recyclingsysteem van de parasiet in.

Het vuur en de mislukking
Omdat het batterijsysteem kapot was, konden de mutant-parasieten niet tegen stress kunnen. Wanneer de wetenschappers de mutant-parasieten blootstelden aan waterstofperoxide (een chemisch wapen vergelijkbaar met wat immuuncellen gebruiken), accumuleerden de mutant-parasieten gevaarlijke niveaus van "reactieve zuurstofcomponenten" (ROS)—eigenlijk interne roest en vuur. Ze waren ook veel gevoeliger voor medicijnen die hun andere belangrijkste manier om batterijen te maken (de pentosefosfaatroute) blokkeren.

De echte test kwam toen ze deze mutant-parasieten in een levende gast plaatsten. Wanneer de wetenschappers muizen infecteerden met de LmME2-vrije parasieten, werden de muizen nauwelijks ziek. De parasieten konden niet overleven in de immuuncellen (macrofagen) van de muis en slaagden er niet in om de grote, pijnlijke zweren te veroorzaken die gewoonlijk verschijnen. Sterker nog, het aantal parasieten in de muizen was ongeveer 100 keer lager dan in muizen die geïnfecteerd waren met normale parasieten.

De conclusie
Het artikel concludeert dat LmME2 een vitale, voorheen onbekende bewaker van de gezondheid van de parasiet is. Het fungeert als een cytoplasmatisch malic enzym dat de batterijniveaus van de parasiet in balans houdt en het interne vuur onder controle houdt. Zonder dit enzym is de parasiet te zwak om te overleven in de harde omgeving van een zoogdier. Deze ontdekking suggereert dat als we een medicijn kunnen ontwerpen dat specifiek LmME2 blokkeert, we de parasiet van zijn redox-balans kunnen beroven en de ziekte kunnen stoppen, zonder daarbij de menselijke gast te schaden, aangezien onze versie van dit enzym anders werkt. De wetenschappers hebben een nieuw, veelbelovend doelwit geïdentificeerd voor de bestrijding van leishmaniasis.