Kategoria: zdrowie

Nobel 2024 i Nobel 2006, czyli mikroRNA i siRNA: podobieństwa i różnice

Marcin Czerwiński2 komentarze

Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny otrzymali w roku 2024 Victor Ambros z Uniwersytetu Massachusetts i Gary Ruvkun z Uniwersytetu Harvarda za „odkrycie mikro RNA i jego roli w post-transkrypcyjnej regulacji ekspresji genów”. Tu ciekawostka polonijna: ojciec Victora, Longin Bohdan Ambros, urodził się w roku 1923 w Polsce we wsi Dardziszki (powiat Oszmiana, województwo wileńskie, obecnie Białoruś). Osierocony w wieku 8 lat, otrzymał stypendium dla zdolnych dzieci, dzięki któremu mógł podjąć naukę w gimnazjum w Wilnie. Ale uczył się tam tylko rok, bo wybuchła wojna, a on, uciekając przed armią radziecką wpadł w ręce Niemców, którzy zmusili go do pracy w przemyśle zbrojeniowym. Uwolniony przez Amerykanów, pomagał amerykańskim oficerom w sztabie, który znajdował się w rezydencji bogatego Niemca. Była tam duża biblioteka, która umożliwiła mu kontynuowanie edukacji, w tym naukę obcych języków (w sumie znał ich 5). Po wojnie służył w armii amerykańskiej, a obywatelstwo otrzymał w 1953 r. Prowadził farmę w stanie Vermont i miał ośmioro dzieci. Jednym z nich był Victor, pierwszy uczony w rodzinie. Opowiada o tym (a także o swoich odkryciach) w bardzo ciekawym wywiadzie, który przeprowadziła Jane Gitschier dla czasopisma PLOS Genetics.

Nagroda Nobla 2006: interferencja RNA

Nagroda Nobla dla Ambrosa i Ruvkuna nie jest jednak pierwszą nagrodą za odkrycie regulacji genów przez małe cząsteczki RNA. W roku 2006 Andrew Fire z Uniwersytetu Stanforda i Craig Mello z Uniwersytetu Massachusetts otrzymali Nagrodę Nobla za „odkrycie interferencji RNA – wyciszania genów przez dwuniciowe RNA”. Mamy więc dwie nagrody Nobla za odkrycie podobnych zjawisk. Ale czym jest regulacja ekspresji genów i dlaczego ten proces jest tak ważny?

Regulacja ekspresji genów

Komórki różnych tkanek zawierają ten sam zestaw genów, ale tylko niektóre z tych genów ulegają ekspresji (czyli kodowane przez nie białko zostaje wyprodukowane) w danym miejscu i czasie. Jest to sprawa wielkiej wagi, bo każdy rodzaj komórki wymaga obecności ściśle określonych białek kodowanych przez ściśle określone geny, musi więc być precyzyjnie regulowany. Proces ten nazywamy regulacją ekspresji genów (Ryc. 1). Pierwszym jej etapem jest związanie enzymu syntezującego RNA, czyli polimerazy RNA, do elementów regulatorowych genu. Może to mieć miejsce tylko w obecności białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi, które swoiście rozpoznają sekwencje DNA w elementach regulatorowych genu. Współdziałanie tych białek i polimerazy RNA sprawiają, że powstaje mRNA (które przeważnie później zostanie „przepisane” na białko). Można zapytać: czy powstanie mRNA równa się powstaniu białka? Niekoniecznie. Mechanizmy takiej regulacji ekspresji genów zostały opisane przez laureatów Nagród Nobla z 2006 i 2024 r.

Ryc. 1. Przepływ informacji genetycznej od DNA do białka. Według: Nobel Foundation, Licencja CC BY 4.0.

Co to jest mikroRNA?

Victor Ambros i Gary Ruvkun badali wpływ mutacji genów u niepasożytniczego nicienia Caenorhabditis elegans, który pomimo małych rozmiarów (1 mm długości) ma podobną liczbę genów jak człowiek (ok. 20 000) oraz podobnie zróżnicowane typy komórek. Stanowi więc doskonały organizm modelowy w badaniach nad ekspresją genów oraz ich regulacji. W latach 80 ubiegłego wieku obaj badacze zajmowali się mutantami C. elegans o nazwach lin-4 i lin-14, które wykazywały pewne defekty budowy ciała. Odkryli, że powoduje je mutacja w genie lin-14. Gen ten koduje czynnik transkrypcyjny odpowiedzialny za rozluźnianie chromatyny, czyli sposobu, w jaki DNA jest zorganizowane w jądrze komórkowym. Produkcja białka lin-4 była jednak w tajemniczy sposób regulowana przez produkt genu lin-14, który nie kodował żadnego białka. Jego sekwencja odpowiadała jedynie małemu fragmentowi RNA. Okazało się, że ten mały fragment RNA ma sekwencję komplementarną do mRNA kodującego białko lin-4 i jest w stanie zahamować produkcję tego białka (Ryc. 2). Opisali to zjawisko w artykułach opublikowanych w tym samym numerze prestiżowego czasopisma Cell w 1993 r. Było to coś całkowicie nowego w naukach przyrodniczych i może właśnie dlatego publikacje te nie zwróciły początkowo niczyjej uwagi (czyli, jak się pisze teraz w recenzjach doktoratów i habilitacji, ich cytowalność była słaba).

Ryc. 2. Role genów lin-4 (matryca dla mikroRNA) i lin-149 (koduje białko) w rozwoju C. elegans. Gen lin-14 koduje białko związane z organizacją chromatyny. Gen lin-4 koduje małą cząsteczkę RNA, która jest częściowo komplementarna do mRNA kodującego białko lin-14. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Wszystko zmieniło się w r. 2000, kiedy zespół Ruvkuna opisał inną małą cząsteczkę RNA o nazwie let-7, która również hamuje ekspresję genów kodujących białka związane z modelowaniem chromatyny. Co ważne, homologi (czyli odpowiedniki) tego genu znaleziono u wszystkich przebadanych gatunków, w tym u człowieka (Ryc. 3). Znaczyło to, że ten rodzaj regulacji ekspresji genów nie jest wyłączną cechą C. elegans, ale występuje u większości organizmów. Ten artykuł spotkał się z wielkim zainteresowaniem. W krótkim czasie odkryto kilkaset rodzajów cząsteczek RNA o takich samych właściwościach, które nazwano mikroRNA. Okazało się, że geny, w których sekwencje są zapisane, są obecne w genomach większości znanych organizmów. Jedną z niewielu grup, u której ich nie ma, są żebropławy (Ctenophora). Ostatnio było o nich głośno z powodu znalezienia u nich jedynego w swoim rodzaju układu nerwowego.

Ryc. 3.  Geny lin-4 i lin-7 w różnych organizmach. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Interferencja RNA

Dobrze, a co z interferencją RNA, opisaną u C. elegans przez Andrew Fire and Craiga Mello w 1989 r., za którą dostali Nagrodę Nobla w 2006 r.? Przedmiotem ich badań był gen unc-22 kodujący białko wpływające na strukturę mięśni tych nicieni, a tym samym na ich zdolność do poruszania się. Wstrzyknięcie krótkich jednoniciowych fragmentów RNA komplementarnych do sekwencji tego genu do gonad nicieni nie miało wpływu na ich zdolność do poruszania się, niezależnie od tego, czy fragmenty te były komplementarne do mRNA (tzw. antysenensowne RNA), czy też miały taką samą sekwencję (sensowne RNA). Jeżeli jednak wstrzyknięto krótki fragment dwuniciowego RNA, nicienie traciły zdolność do sprawnego poruszania, co objawiało się skurczami (Ryc. 4). Miały one miejsce także u potomstwa nicieni, którym wstrzyknięto cząsteczki RNA. Autorzy sugerowali, że taki dwuniciowy fragment RNA może zahamować ekspresję genu, a mechanizm tego zjawiska może być zbliżony do degradacji dwuniciowych fragmentów RNA pochodzących z wirusów. Nazwali go interferencją RNA, a małe cząsteczki RNA, które ten mechanizm uruchamiają – siRNA (short interfering RNA, czyli krótkie interferujące RNA).

Ryc. 4. Jak dwuniciowe DNA wpływa na ekspresję genu u C. elegans (eksperyment Fire and Mello). Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

siRNA i mikroRNA

Jak siRNA ma się do mikroRNA? Są to w zasadzie dwa oblicza tego samego zjawiska, czyli regulacji ekspresji genów na poziomie mRNA. Prekursorami obu cząsteczek są dwuniciowe cząsteczki RNA, przy czym siRNA powstaje z dłuższych cząsteczek. siRNA pochodzi raczej spoza komórki (przeważnie z wirusów RNA, ale może też być produktem transpozonu, czyli genu który może przemieszczać się na inną pozycję w genomie tej samej komórki). Sekwencja mikroRNA jest zapisana w genomie komórkowym. Wstępna obróbka tych cząsteczek przebiega jednak w podobny sposób. MikroRNA powstaje w jądrze komórkowym, gdzie jest wstępnie degradowane przez enzym o nazwie Drosha (jego partnerem jest Pasha). Po eksporcie z jądra do cytoplazmy przez białko o nazwie eksportyna 5, mikroRNA ulega degradacji przez enzym o nazwie Dicer (po angielsku: kostkarka do lodu) na krótkie dwuniciowe fragmenty. Podobny mechanizm zachodzi w przypadku siRNA, z tym że ono pojawia się od razu w cytoplazmie (np. w wyniku wstrzyknięcia). Następnie kompleks białek o nazwie RISC (RNA-induced silencing complex, kompleks wyciszający indukowany przez RNA) we współpracy z białkiem Argonaut usuwa jedną z nici RNA. Pozostaje tylko nić komplementarna do docelowego mRNA. W przypadku siRNA komplementarność jest 100-procentowa i takie fragmenty mRNA są degradowane przez nukleazy swoiste wobec dwuniciowego RNA. Jeżeli komplementarność nie jest jednak stuprocentowa (a przeważnie taką właściwość mają cząsteczki mikroRNA), to taki dwuniciowy fragment RNA hamuje translację uniemożliwiając rybosomowi przesuwanie się po nici mRNA (Ryc. 5).

Ryc. 5. Mechanizm działania siRNA i mikroRNA. RISC: kompleks wyciszający indukowany przez RNA, AGO: białko Argonaut. Według: Lam J.K.W. et al., Mol. Ther. Nucl. Acid 2015, 4:e252. Licencja CC BY 4.0.

Do czego służą siRNA i mikroRNA w komórce? siRNA to głównie obrona przed obcym RNA, przede wszystkim wirusowym. MikroRNA to przede wszystkim regulator ekspresji genów. Mechanizm ich działania jest jednak podobny i opiera się na wykorzystaniu tych samych enzymów.

Podobieństwa i różnice między mikroRNA i siRNA pokazałem w poniższej tabeli.

Tak więc różnica między mikroRNA i siRNA jest niewielka i w zasadzie dotyczy tylko podobieństwa sekwencji między małym RNA i fragmentem mRNA. Zarówno mikroRNA, jak i siRNA to małe cząsteczki RNA wykazujące podobną (mikroRNA) lub identyczną (siRNA) sekwencję wobec sekwencji mRNA (a więc i genów), których ekspresję mają hamować. Dlatego siRNA może hamować ekspresję tylko jednego genu, a mikroRNA wielu (nawet 100). Oba rodzaje cząsteczek mogą wywoływać zjawisko interferencji RNA. Można więc powiedzieć, że Fire i Mello odkryli zjawisko interferencji RNA, a Ambros i Ravkun (na 6 lat przed nimi) cząsteczki RNA, które mogą to zjawisko wywoływać. Co ciekawe, Fire i Mello w swojej publikacji z 1998 r. nie powołali się na prace Ambrosa i Ravkuna, mimo że pracowali na tym samym organizmie (C. elegans).

Czy interferencja RNA może być podstawą terapii?

Odkrycie zjawiska interferencji RNA wzbudziło wielkie nadzieje na otrzymanie nowych leków opartych na tym mechanizmie, a firmy farmaceutyczne zainwestowały duże środki w badania nad siRNA. Okazało się jednak, że nie jest to wcale takie proste. Pierwszym i zasadniczym problemem jest dostarczenie RNA do komórki. Cząsteczki RNA są nietrwałe, ponieważ łatwo ulegają degradacje przez wszechobecne RNAzy, czyli enzymy degradujące RNA. Nie można zatem po prostu zrobić zastrzyku z RNA: potrzebny jest specjalny system dostarczający jego cząsteczki do komórek. Ponadto, obce RNA może też spowodować uruchomienie odpowiedzi odpornościowej, podobnie jak to ma miejsce w przypadku infekcji wirusowych (a także szczepionek zawierających mRNA, jak np. szczepionka na COVID-19). Zauważono też, że większość RNA dostarczonego do organizmu trafia do wątroby, tak więc terapia chorób wątroby za pomocą siRNA wydaje się mieć największe szanse powodzenia. Istnieje już kilka leków opartych o technologię siRNA, które wykazują dużą skuteczność w terapiach rzadkich chorób genetycznych. Jedną z nich jest rodzinna polineuropatia amyloidowa, znana też jako choroba Corino de Andrade. Jej przyczyną są mutacje w genie TTR, który koduje transtyretinę. Białko to transportuje hormony tyroksynę (T4) z tarczycy (gdzie powstaje) do wątroby. Mutacja powoduje, że białko to tworzy agregaty, które gromadzą się w neuronach powodując nieodwracalne uszkodzenie tkanki nerwowej. Objawy (bóle, mrowienie, drętwienie kończyn, a z czasem utrata koordynacji ruchów i paraliż) pojawiają się w wieku 20-40 lat, a pacjenci umierają średnio 10 lat później. Zatwierdzony w 2018 r. lek o nazwie patisiran (Onpattro) to siRNA komplementarne wobec genu TTR, podawane dożylnie w postaci nanocząstek lipidowych. Ok. 1000 ludzi na całym świecie dotkniętych tą chorobą poddano leczeniu i u większości objawy ustąpiły.

Innym lekiem opartym o technologię siRNA jest Givlaari (givosiran), który w 2019 r. został zatwierdzony w leczeniu porfirii. Choroba ta polega na gromadzeniu się porfiryny, cyklicznej cząsteczki będącej prekursorem hemu. Lek ten obniża ekspresję genu ALAS1, który koduje syntazę kwasu δ-aminolewulinowego. Nadmierna produkcja tego enzymu jest przyczyną choroby.

Ciekawym zastosowaniem technologii siRNA jest Fitusiran, obecnie w trzeciej fazie badań klinicznych. Jest to małe dwuniciowe RNA o sekwencji komplementarnej do genu SERPINC1, który koduje antytrombinę. Białko to jest inhibitorem krzepnięcia, a więc obniżenie jego poziomu polepsza parametry krzepnięcia u osób chorych na hemofilię. Jest więc nadzieja, że chorzy na tę chorobę nie będą musieli wstrzykiwać sobie czynników krzepnięcia, tak jak ma to miejsce teraz.

Jest jeszcze kilka innych zastosowań technologii siRNA w medycynie, ale na razie liczba ta nie jest imponująca. Dlaczego? O ile samo hamowanie genów za pomocą siRNA jest dość proste, to dostarczanie cząsteczek siRNA do organizmu łączy się z wieloma problemami (które wymieniłem). Ale skoro szczepionki mRNA przeciw wirusowi COVID-19 okazały się takim sukcesem, to może i technologia siRNA się rozwinie?

mikroRNA w terapii celowanej

Uważa się, że ludzki genom może zawierać nawet 2600 genów kodujących mikroRNA, z czego dobrze poznanych jest ok. 500. Uważa się, że mogą one kontrolować ekspresję nawet 60% genów, tak więc mutacja w jednym genie kodującym mikroRNA może spowodować, że ekspresja wielu genów ulegnie zmianie. Związki miedzy mikroRNA i kontrolowanymi przez nie genami nie są jednak jeszcze dobrze poznane. Wiadomo np., że mutacje w genie kodującym mikroRNA-96 (miR-96) mogą być przyczyną dziedzicznej głuchoty, a mutacje w miR-184 – dziedzicznej zaćmy. Teoretycznie więc „poprawa” działania tych mikroRNA mogłaby służyć jako terapia w leczeniu tych chorób. Badania w tym kierunku są prowadzone, ale największe nadzieje wiążą się z leczeniem chorób nowotworowych, bo w licznych nowotworach mikroRNA nie działa we właściwy sposób. Takie cząsteczki mikroRNA, których powstaje zbyt dużo lub zbyt mało, mogą wpływać na ekspresję genów kodujących białka związane z nowotworzeniem. Nazywane onkomirami (oncomirs), mogą tę ekspresję hamować lub przyspieszać. Schemat ich działania pokazałem na Ryc. 6, a swoistość poszczególnych mikroRNA na Ryc. 7.

Ryc. 6. Jak mikroRNA może wpływać na cechy nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Ryc. 7. Wpływ niektórych mikroRNA na powstawanie nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Można sobie wyobrazić, że wpływając na syntezę mikroRNA będzie można zahamować rozwój nowotworu, a nawet zupełnie go unieszkodliwić. Niestety, mamy tu ten problem, co w przypadku siRNA. Obecnie ma miejsce wiele prób klinicznych leków opartych o mikroRNA, ale żadna z nich jak dotąd nie zakończyła się sukcesem. Przyczyny są te same: problemy z dostarczeniem RNA do komórek, reakcje obronne organizmu, albo brak wystarczającego zahamowania ekspresji danego genu.

Podsumowanie

Laureaci Nagród Nobla z lat 2006 i 2024 odkryli w zasadzie to samo zjawisko: krótkie cząsteczki RNA wpływają na aktywność mRNA, hamując tym samym ekspresję genu. Jest jeden warunek: sekwencja takiej krótkiej cząsteczki RNA musi być taka sama, jak sekwencja mRNA (albo bardzo podobna). Tworzy się wtedy dwuniciowe RNA, które ulega degradacji przez specjalne enzymy o których pisałem.

A skąd biorą się te krótkie cząsteczki RNA? Mogą być zapisane w genomie i działać jako „regulatory” ekspresji genów. Nazywamy się wtedy mikroRNA. A mogą też pochodzić spoza komórki, na przykład z wirusów, lub powstawać w wyniku transkrypcji transpozonów. W obu przypadkach, jeżeli sekwencje „krótkiego” i „długiego” RNA (czyli mRNA) są wystarczająco podobne, to powstanie dwuniciowe RNA. I takie RNA ulegnie degradacji.

Praktyczne wykorzystanie tych odkryć w leczeniu chorób jest całkiem możliwe, ale na razie tworzy wiele problemów technicznych. Miejmy nadzieję, że uda się je pokonać.

Literatura dodatkowa

Wywiad z Victorem Ambrosem

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1000853

Odkrycie micro RNA

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90530-4

Odkrycie siRNA

https://www.nature.com/articles/35888

Podobieństwa i różnice między siRNA i mikroRNA

https://doi.org/10.1038/mtna.2015.23

Rola mikroRNA w rozwoju nowotworów

https://www.termedia.pl/Role-of-microRNA-in-pathogenesis-diagnostics-and-therapy-of-cancer,3,6895,1,1.html

E-papierosy – fakty i mity – część 2

Mirosław Dworniczak1 Comment

Pierwsza część wpisu na temat e-papierosów znajduje się tutaj.

E-papierosy a zdrowie

O właśnie… zdrowie, czyli temat podstawowy. Idea polegała na tym, aby stworzyć produkt, który będzie dostarczał nikotynę, ale bez obciążania organizmu substancjami smolistymi. I to się jak najbardziej udało. Co więcej, w aerozolu tworzonym w e-papierosie nie ma też niewielkiego związku, który cały czas truje palaczy, a mianowicie tlenku węgla. W dymie z konwencjonalnego papierosa mamy zawsze ten związek, unosi się on też w tzw. strumieniu bocznym, czyli tym, co się wydziela wtedy, gdy zapalony papieros zostaje odłożony pomiędzy zaciągnięciami. Co ważne, w tym strumieniu bocznym jest go nawet więcej, ponieważ mamy tu do czynienia z niepełnym spalaniem substancji organicznych. A tlenek węgla (czyli czad, CO) jest niebezpieczny, ponieważ związek ten wiąże się z hemoglobiną 250x silniej niż tlen, a więc w jakimś sensie poddusza organizm. Tu dodam, że wykrywanie tlenku węgla w wydychanym powietrzu jest jedną z prostych metod stwierdzenia, czy pacjent nie kłamie, mówiąc, że rzucił palenie. Jeszcze po kilku dniach będzie wydychał CO.

Dla porządku muszę napisać, że wdychanie czegokolwiek poza czystym powietrzem do płuc jest zawsze ryzykowne. Musimy więc ważyć potencjalne niebezpieczeństwa. Patrząc na to wszystko przez pryzmat redukcji szkód powodowanych paleniem tytoniu, wiemy, że aerozol z e-papierosów jest zdecydowanie mniej szkodliwy niż koktajl substancji zawartych w dymie ze zwykłego papierosa. Czy to oznacza, że e-papieros jest nieszkodliwy? Absolutnie nie! Ale po kilkunastu latach bardzo różnych badań wiemy już, że jego używanie jest znacznie mniej szkodliwe niż palenie tytoniu.
Tu warto wspomnieć o (r)ewolucji, która dokonała się w Wielkiej Brytanii. Kilkanaście lat temu e-papierosy były tam traktowane jako straszne zło. Potem jednak zaczęto się przyglądać tematowi i na zlecenie rządu JKM Elżbiety II powstał specjalny raport o wapowaniu, czyli używaniu e-papierosów. Oszacowano, że używanie e-papierosa jest co najmniej 20x mniej szkodliwe niż palenie tytoniu. Poszły za tym różne działania – m.in. obowiązek, aby w sklepach w brytyjskich szpitalach e-papierosy były dostępne na równi z gumami i plastrami. W niektórych miastach i hrabstwach są też programy, w ramach których osoby chcące rzucić palenie są wyposażane w e-papierosy i liquidy. Co ważne – nie był to jednorazowy raport, ponieważ kolejne jego edycje są publikowane co roku i możemy się z nich dowiedzieć tego, co w ostatnich 12 miesiącach zostało osiągnięte w tej dziedzinie.

Tu jeszcze jedna uwaga dotycząca rakotwórczości. Wbrew temu, co sądzi większość ludzi, nikotyna nie jest związkiem rakotwórczym. Przypisywano jej te właściwości na podstawie badań nad paleniem tytoniu. Dziś wiemy już, że rakotwórcze są substancje smoliste obecne w spalanym tytoniu, jest ich tam co najmniej kilkadziesiąt.
Mało tego, nikotyna od jakiegoś czasu jest testowana jako substancja lecznicza! Tu mamy pionierskie wieloletnie prace dr. Paula Newhouse’a, który bada stosowanie tego alkaloidu w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych. Może kiedyś napiszę osobny tekst na ten temat, bo te badania są wielce ciekawe. Drobne zastrzeżenie: używanie e-papierosa nie jest metodą leczniczą.

A jeśli nie e-papieros, to co?

Dziś na rynku mamy cały szereg metod wspomagających rzucanie palenia. Najstarszymi są gumy i plastry nikotynowe. To prawda, dostarczają one nikotynę w konkretnych dawkach i odpowiednim tempie, powinny więc być doskonałym rozwiązaniem. Problem jednak tkwi w głowie. Każdy palacz doskonale wie, że palenie wiąże się z całym rytuałem. Trzeba wyjąć papierosa z paczki, czasem trochę ugnieść, zapalić i zaciągnąć się. Potem wydmuchujemy dym, widzimy go itd. To dodatkowe uzależnienie – behawioralne. W przypadku gum i plastrów tego nie ma, dostajemy tylko dawkę nikotyny, nie mamy czym zająć rąk. W wielu wypadkach to ludziom nie wystarcza. Użytkownicy e-papierosa mają zachowany ten rytuał, stąd większy odsetek sukcesów.
W ostatnich latach powstały jeszcze inne urządzenia, których zadaniem jest redukcja szkód. Są to tzw. produkty H’n’B (heat not burn – podgrzewanie bez spalania). W tym przypadku mamy specjalnie spreparowane wkłady tytoniowe, w które jest wbijane specjalne ostrze-grzałka. Nie dochodzi tu do procesu spalania, jak to ma miejsce w przypadku zwykłych papierosów. Dlatego nie mamy tutaj mierzalnej emisji smół. Jednak badania wskazują, że produkty te ulegają pirolizie, czyli rozkładowi bez dostępu tlenu, co skutkuje emisją tlenku węgla. Niewielkiej w stosunku do zwykłych, jednak mierzalnej. Niemniej każda z tych technologii mieści się w kategorii redukcji szkód (ang. harm reduction).

Na co zwracać uwagę

Załóżmy, że mamy już dość nałogu tytoniowego i chcemy rzucić palenie. Oczywiście najlepiej byłoby zrobić tak, jak mój Tata: przyjść któregoś dnia do domu i powiedzieć „od dziś nie palę”. Jemu się udało, od tego dnia aż do końca życia nie zapalił ani jednego. Ale wiadomo, że nie każdy ma tak silną wolę. Może pomogą plastry albo gumy nikotynowe – też byłoby fajnie. One dostarczają także w kontrolowany sposób nikotynę, ale nie mamy tu tej typowej otoczki behawioralnej – trzymania czegoś w rękach, zaciągania się, wydmuchiwania chmurki. Jeśli jednak się nie uda, można rozważyć e-papierosy albo podgrzewacze (czyli H’n’B). Tu tylko jedna uwaga, wynikająca z mojego wieloletniego doświadczenia. Jeśli decydujesz się na ten krok, odstaw jednocześnie zwykłe papierosy. Próba używania jednocześnie zwykłych papierosów i nowych urządzeń zwykle się nie udaje. Piszę to na podstawie doświadczeń wielu znajomych. Bycie tzw. palaczem hybrydowym (ang. dual user) najczęściej się nie udaje. Szkoda zdrowia, bo nigdy nie rzucimy zwykłych, będziemy tylko się oszukiwać.
Warto też pamiętać o innej kwestii. Gdy zapalamy zwykłego papierosa, kończymy go po 15 zaciągnięciach (średnio). Ten elektroniczny jest w jakimś sensie wieczny – wystarczy podłączyć do ładowania albo zmienić baterię. Dlatego tu trzeba jednak używać rozumu.
Jeszcze jedno: dobieramy stężenie nikotyny w zależności od potrzeb. Jeśli się uda, warto je po jakimś czasie zmniejszać, optymalnie aż do zera, a potem w ogóle się pozbyć i tego nałogu. Jeśli się na to zdecydujecie, życzę powodzenia.
Drobna uwaga ekologiczna: jeśli używasz jednorazowych e-papierosów, nie wyrzucaj ich byle gdzie. W środku mamy baterię oraz elektronikę – są to odpady potencjalnie niebezpieczne. Wyrzucajcie je do specjalnych pojemników na baterie, np. w supermarketach. To samo dotyczy oczywiście akumulatorów używanych w e-papierosach. Od dłuższego czasu postuluję, aby jednorazówki były objęte programem kaucji, którą zwraca punkt sprzedaży.

I na sam koniec raz jeszcze: e-papieros nie jest modnym gadżetem ani zabawką. Jest to metoda ograniczania szkodliwości nałogu, przeznaczona wyłącznie dla dorosłych palaczy chcących rzucić palenie tytoniu.

Literatura dodatkowa

Tobacco and Vapes Bill 2024

Using e-cigarettes to stop smoking

Układ grupowy Duffy, czyli jak uciec przed malarią

Marcin CzerwińskiLeave a comment

Piotr Gąsiorowski w swoim doskonałym cyklu na temat ewolucji napisał o mutacjach ograniczających podatność na malarię, takich jak np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa. Choroba ta jest wynikiem mutacji w genie kodujących hemoglobinę β. Na obszarach endemicznych dla malarii co czwarty człowiek jest nosicielem takiego genu; osoby takie są oporne na malarię. Obecność dwóch alleli z mutacją (w Afryce Zachodniej jest 3% takich osób) powoduje, że krwinki czerwone mają sierpowaty kształt (stąd nazwa), co podwyższa ich skłonność do rozpadu czyli hemolizy. Takie osoby chorują na anemię i mają inne komplikacje zdrowotne. Nosiciele (czyli osoby, którzy mają jeden zmutowany allel) nie mają poważnych dolegliwości, chociaż mogą mieć problemy z nerkami. Można więc powiedzieć, że 3% objawowych homozygot (czyli osób z dwoma zmutowanymi allelami) które chorują na anemię to koszt dostosowania się do środowiska, w którym malaria jest stale obecna.

Piotr Gąsiorowski wspomniał o jeszcze jednej mutacji, która ogranicza podatność na malarię. Jest nią mutacja w genie kodującym antygen Duffy. Czym jest to białko? O tym w poniższym wpisie.

Grupy krwi Duffy a i Duffy b

Jak już pisałem w moim wpisie o grupach krwi, podział krwi na grupy jest metodą klasyfikacji krwinek czerwonych na podstawie obecności na ich powierzchni cząsteczek zwanych antygenami grupowymi, które mogą być wykrywane przez przeciwciała. Przeciwciała takie mogą spowodować aglutynację (czyli zlepianie się) krwinek; jeżeli osobie, która ma takie przeciwciała, przetoczy się krwinki przez nie rozpoznawane, to może nastąpić tzw. ostra reakcja poprzetoczeniowa grożąca śmiercią. Tak więc jeżeli osoby mają tę samą grupę krwi, to znaczy, że na ich krwinkach są takie same antygeny. Antygeny te na podstawie podobieństwa sklasyfikowane są w grupach, nazywanych układami grupowymi. U człowieka znanych jest obecnie (2024 r.) 45 układów grupowych zawierających 362 antygeny. Są wśród nich dobrze znane, jak ABO czy Rh, ale też rzadziej wspominane, jak właśnie Duffy. Antygeny tego układu znajdują się na białku Duffy obecnym na komórkach śródbłonka, który „wyściela” nasze naczynia krwionośne. To samo białko jest też na krwinkach czerwonych. Jaka jest jego rola?

Duffy czyli DARC

Białko Duffy, znane też jako DARC (Duffy Antigen Receptor for Chemokines, czyli receptor dla chemokin z antygenem Duffy) składa się z 336 reszt aminokwasowych. Przebija błonę komórkową 7 razy i ma 3 łańcuchy cukrowe (Ryc. 1). Jest kodowane przez gen ACKR1 znajdujący się na chromosomie 1.

Ryc. 1. Struktura białka Duffy (DARC). DARC składa się z 336 reszt aminokwasowych (oznaczonych jednoliterowymi symbolami). Polimorfizm Fya/Fyb to glicyna (G)/kwas asparaginowy (D) w pozycji 42. Pokazano też polimorfizmy w pozycjach 89 i 100: zastąpienie cysteiny (C) przez argininę (R) oraz alaniny (A) przez treoninę (T) powoduje powstanie fenotypu Fyx. CHO to łańcuchy cukrowe przyłączone do reszt 16, 27 i 33. Zaznaczono też immunogenny fragment białka o nazwie Fy6.

Według: Łukasik E. i Waśniowska K., Post. Hig. Med. Dośw. 2016, 70:143-171. Licencja CC BY 4.0.

Z białkiem Duffy związane są dwa antygeny grupowe o nazwach Duffy a i Duffy b (w skrócie Fya i Fyb). Przyczyną ich powstania jest różnica w sekwencji aminokwasowej: w pozycji 42 łańcucha polipeptydowego jest glicyna w Fya i kwas asparaginowy w  Fyb. Kodowane są przez dwa allele o nazwach FY*A i FY*B. Jeżeli oba allele są obecne, to mamy fenotyp Fy(a+b+). Jeżeli tylko jeden, to Fy(a+b-) lub Fy(a-b+). U osób o fenotypie Fy(a+b+) połowa antygenów Duffy stanowią cząsteczki Fya (czyli z glicyną w pozycji 42), a połowę – Fyb (z kwasem asparaginowym w tej pozycji). W przypadku osób o fenotypie Fy(a+b-) i Fy(a-b+), 100% cząsteczek białka Duffy to odpowiednio białka typu Fya i Fyb.

Około 1% ludzi ma allel FY*B. Koduje on białko, w którym reszty aminokwasowe w pozycjach 89 i 100 są zastąpione innymi resztami (wyjaśnione na Ryc. 1). Obecność dwóch takich alleli powoduje powstanie fenotypu Fyx znanego też jako Fyweak: białko Duffy jest wprawdzie obecne, ale w bardzo niewielkiej ilości.

W przeciwieństwie do grup A/B/O, większość ludzi nie ma przeciwciał rozpoznających antygeny Duffy. Przeciwciała takie mogą być jednak obecne u osób, którym wielokrotnie przetaczano krew. Jest tak dlatego, że nasz układ odpornościowy może rozpoznać antygen Duffy, którego nie mamy, jako coś obcego. Tak właśnie było w przypadku Richarda Duffy (zmarł w 1956 r.), który chorował na hemofilię, miał grupę Fy(a-b+) i w wyniku wielokrotnych transfuzji wytworzył przeciwciała anty-Fya. Od jego nazwiska pochodzi nazwa całego układu grupowego.

Antygen Fya występuje trochę częściej u mieszkańców Azji (ma go 99% mieszkańców), a antygen Fyb  u mieszkańców Europy (83% mieszkańców). W Afryce jest ciekawa sytuacja: większość jej mieszkańców nie ma ani antygenu Fya ani Fyb, co jest wynikiem obecności częstego w Afryce allelu FY*BES (Ryc. 2). Fenotyp taki nazywany jest Fy(a-b-). Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Żeby to wyjaśnić, trzeba opisać funkcję pełnioną w naszym organizmie przez białko Duffy.

Ryc. 2. Częstość występowania alleli FY*A, FY*B i FY*BES. Źródło: Howes R.E. et al., Nat. Commun. 2010, 2:266. Licencja CC BY 4.0.

Duffy i chemokiny

Białko Duffy jest receptorem dla chemokin, czyli niewielkich białek (masa cząsteczkowa 8-12 kDa) produkowanych przez komórki naszego organizmu w sytuacjach stresowych. Chemokiny należą do rodziny cytokin, czyli białek regulujących odpowiedź odpornościową organizmu. Ich rola jest szczególna: odpowiadają za chemotaksję, czyli reakcję ruchową na bodźce chemiczne. Większość receptorów dla chemokin to białka związane z białkiem G (pisałem o tym białku we wpisie o receptorach smaku). Po związaniu chemokin białka te przesyłają sygnał do komórki, zmuszając ją do reakcji (w tym przypadku ruchu). Znanych jest ponad 50 rodzajów chemokin i ponad 20 rodzajów receptorów, które je rozpoznają.

Chemokiny wiążą się do receptorów na powierzchni komórek i powodują, że komórki te przemieszczają się w stronę wyższego stężenia chemokin. Ma to wielkie znaczenie dla obrony naszego organizmu przez patogenami. Przykładowo, jeżeli skaleczymy się w rękę, bakterie wnikają do rany i zaczynają się namnażać. W odpowiedzi na obecność bakterii, komórki skóry bądź nabłonka wytwarzają cytokiny, których zadaniem jest informowanie komórek układu odpornościowego (takich jak leukocyty, makrofagi czy granulocyty) o obecności bakterii. Te same komórki wytwarzają też chemokiny, które stanowią coś w rodzaju drogowskazów dla komórek układu odpornościowego. Obecność chemokin to sygnał dla tych komórek, że mają przemieszczać się w kierunku, gdzie chemokiny powstają.

Białko Duffy nie jest typowym receptorem dla chemokin, ponieważ nie tworzy kompleksu z białkiem G i nie może przesyłać sygnału do komórki. Dlatego jest nazywane „receptorem zlewowym” (sink receptor). Jego rola to wiązanie chemokin na powierzchni komórek, co powoduje obniżenie stężenia chemokin w osoczu. Ponieważ krwinki czerwone to najliczniejsze komórki w naszym organizmie (jest ich 29 x 1012 wobec 7 x 1012 wszystkich pozostałych komórek), białko Duffy na czerwonych krwinkach pełni rolę „magazynu” chemokin.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z malarią?

Duffy i malaria

Malaria jest zakaźną chorobą przenoszoną przez komary, a powodowaną przez pasożytnicze protisty  z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodźce). Człowiek jest żywicielem pośrednim dla pięciu gatunków, z których najgroźniejsze są dwa: Plasmodium falciparum, czyli zarodziec sierpowaty, i Plasmodium vivax, czyli zarodziec ruchliwy. Ok. 260 milionów ludzi zapada rocznie na malarię, z czego ok. 600 000 (w większości dzieci) umiera. Większość zachorowań jest powodowana przez P. vivax, ale 90% ofiar śmiertelnych powoduje P. falciparum.

Zakażenie rozpoczyna się, gdy samica komara przekłuwa skórę, wstrzykując zakaźne formy zarodźca nazywane sporozoitami. Trafiają one do wątroby, gdzie w ciągu kilku dni przekształcają się w merozoity, które infekują krwinki czerwone (Ryc. 3).

Ryc. 3. Cykl życiowy zarodźca malarii. Według: Wikimedia Commons. Licencja CC BY 4.0.

Merozoity namnażając się w krwinkach czerwonych i co 48 godzin rozrywają je, co powoduje ataki gorączki. Podatność na malarię zależy od wielu czynników, w tym m.in. od grup krwi układu ABO. Osoby o grupie krwi O są nieco bardziej oporne na malarię powodowaną przez P. falciparum, dlatego wśród mieszkańców terenów endemicznych dla malarii przeważają osoby z grupą O.

Ale ten mechanizm nie działa w przypadku P. vivax, dlatego ewolucja zastosowała tu inny wybieg. Białko Duffy jest jednym z dwóch receptorów dla merozoitów P. vivax (drugim jest receptor dla transferyny). Znaczy to, że zarodziec może infekować krwinki tylko wtedy, gdy te mają na powierzchni białko Duffy. Jak wspomniałem, istnieją dwie grupy krwi, Fya i Fyb, przy czym antygen Fya jest trochę gorzej rozpoznawany przez merozoity P. vivax. Dlatego osoby o fenotypie Fy(a+b-) są nieco bardziej oporne na zakażenia tym pasożytem. Ale naprawdę dużą oporność wykazują osoby, u których białko Duffy w ogóle nie występuje na powierzchni krwinek. Takie osoby mają fenotyp Fy(a-b-), który jest wynikiem obecności dwóch alleli o nazwie FY*BES. Allele te kodują prawidłowe białko Duffy, które ulega ekspresji wyłącznie na komórkach śródbłonka, natomiast nie ma go na powierzchni krwinek czerwonych. Jest to wynik punktowej mutacji w promotorze tego genu, czyli we fragmencie genu odpowiadającym za uruchomienie  transkrypcji (czyli przepisania sekwencji DNA na mRNA). Zamiana jednego nukleotydu (tyminy na cytozynę) w pozycji -67 sekwencji nukleotydowej allelu FY*B powoduje, że erytroidalny czynnik transkrypcyjny GATA-1, który odpowiada za ekspresję białka Duffy na krwinkach czerwonych oraz ich prekursorach nie może się przyłączyć do odpowiedniego fragmentu w promotorze. Skutkiem jest nieobecność białka Duffy na krwinkach. Allel z taką mutacją to właśnie FY*BES (od ES czyli erythroid silent, nieobecny na komórkach erytroidalnych). Częstość tego allelu to 90% u rdzennych mieszkańców Afryki i 68% u Afro-Amerykanów.

Osoby z dwoma takimi allelami mają prawie 100% oporność na zakażenia P. vivax. Prawie, bo zahamowanie ekspresji białka Duffy na krwinkach czerwonych nie jest jednak całkowite i na niedojrzałych krwinkach występuje niewielka ilość tego białka. Takie młode krwinki mogą być „tylnymi drzwiami”, przez które zarodziec wnika powodując malarię. Ochrona jest jednak znacząca, i prawdopodobnie dlatego częstość fenotypu Fy(a-b-) w Afryce wynosi od 8% w Sudanie do 86% w Botswanie (Ryc. 2). Uważa się, że mutacja powodująca powstanie allelu FY*BES pojawiła się w Afryce ok. 60 000 – 30 000 lat temu i rozpowszechniła się w wyniku presji ze strony zarodźca P. vivax.

Co ciekawe, w Europie Środkowej (Polska, wschodnie Niemcy) kilka do kilkunastu procent ludzi jest nosicielami allelu FY*BES (Ryc. 2). Może to powodować pewne problemy w transfuzjologii, bo osoby o fenotypie Fy(a-b-), którym przetoczy się krwinki Fy-dodatnie, mogą wytworzyć przeciwciała anty-Duffy. Jeszcze do lat 50. ubiegłego wieku malaria powodowana przez P. vivax była obecna w Europie, i być może to spowodowało rozpowszechnienie się tego allelu?

Czy fenotyp Fy(a-b-) to same zalety?

Tak jak w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej, fenotyp Fy (a-b-) też może powodować pewne negatywne skutki. Ponieważ białko Duffy stanowi „podręczny magazyn” chemokin, a najwięcej jest go na krwinkach czerwonych, to brak tego białka na krwinkach powoduje podwyższenie stężenia chemokin w osoczu. Może mieć to szczególne znaczenie w przypadku chemokin angiogennych, czyli stymulujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Guzy nowotworowe potrzebują naczyń krwionośnych do rozwoju, dlatego podwyższone stężenie takich chemokin może stymulować ich rozwój. Przekłada się na wyższą częstość niektórych chorób nowotworowych, zwłaszcza raka prostaty (drugi co do częstości nowotwór u mężczyzn). U Afro-Amerykanów, wśród których większość stanowią osoby o fenotypie Fy(a-b-), zachorowalność na raka prostaty w porównaniu do osób o pochodzeniu europejskim  jest wyższa o ponad 60%, a śmiertelność o 100%.

Literatura dodatkowa

Podstawowe wiadomości o białku Duffy

https://phmd.pl/api/files/view/116837.pdf

Białko Duffy i malaria

http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.102014

Fenotyp Duffy-ujemny i zakażenia P. vivax

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.10.019