Leishmaniasis är en viktig mänsklig och veterinär sjukdom orsakad av Leishmania-parasiter som drabbar 12 miljoner människor i över 98 endemiska länder. Sjukdomen dyker nu upp i Europa på grund av klimatförändringar och massiva befolkningsförflyttningar. Parasiten är känd för att snabbt anpassa sig till nya miljöer med viktiga konsekvenser för sjukdomsutfallet. Det har därför erkänts som ett framväxande hot mot folkhälsan för EU.

I en tidning, publiceras i Naturekologi och evolution , forskare från Institut Pasteur i Paris och Centre for Genomic Regulation (CRG) i Barcelona, i samarbete med team vid Institute of Tropical Medicine Antwerpen (ITM) och University of Montpellier, har nu visat att Leishmania-anpassning är ett resultat av frekventa och reversibla kromosomförstärkningar. Sådana variationer, namngivna aneuploidier, liknar de som förekommer i många cancertyper.

Dessa fynd representerar ett viktigt steg mot en bättre förståelse av mänsklig Leishmania-infektion, med relevans för parasitläkemedelsresistens, patogenicitet, och vävnadstropism. Denna nya insikt i Leishmania genomisk instabilitet bör bana väg för identifiering av parasitläkemedelsresistensmekanismer i kliniskt relevanta miljöer och hjälpa till att upptäcka biomarkörer med diagnostiskt och prognostiskt värde.

Leishmaniasis är en av de fem viktigaste parasitsjukdomarna i världen, med uppskattningsvis 350 miljoner människor i riskzonen för infektion. Sjukdomen orsakar ett spektrum av kliniska manifestationer som sträcker sig från vanprydande kutana till dödliga viscerala former, som härrör från infektion av olika arter av Leishmania-parasiter. Dessa encelliga parasiter anpassar sig till ett anmärkningsvärt antal värdar. De växer som extracellulära parasiter inuti flebotominsandflugor som överför Leishmania till olika ryggradsdjur, som gnagare, hundar, och människor, där de växer inuti immunceller, framför allt makrofager, orsakar allvarliga patologier som kan leda till döden.

Leishmaniasis är en av de mest försummade sjukdomarna och drar därför till sig begränsad uppmärksamhet. Det finns inget humant vaccin och endast ett fåtal behandlingar är tillgängliga, som alla visar en eller flera viktiga begränsningar med avseende på administration, toxicitet eller kostnad. Ännu värre, ett kännetecken för Leishmanias biologi råkar vara dess förmåga att anpassa sig till en mängd oförutsägbara fluktuationer i sin mänskliga värd, särskilt farmakologiska ingrepp, med viktiga konsekvenser för sjukdomsutfallet, vilket framgår av uppkomsten av läkemedelsresistenta kliniska isolat.

För att identifiera de genetiska mekanismerna som driver Leishmania genomisk anpassning, forskare från Institut Pasteur i Paris och Centre for Genomic Regulation (CRG) i Barcelona, i samarbete med team vid Institute of Tropical Medicine Antwerpen (ITM) och University of Montpellier har utvecklat nya tekniker för jämförande genomik, baserad på nästa generations sekvensering och in-silico-analyser. Deras arbete, som publiceras i Naturekologi och evolution , visar för första gången existensen i Leishmania av ett samband mellan förändringar i antalet kromosomkopior och urvalet av nya alleler som är viktiga för parasitöverlevnad.

Den mest överraskande aspekten av detta arbete är observationen att Leishmania lyckas kombinera allelselektion med upprätthållandet av en hög genetisk mångfald. Normalt bör dessa två processer utesluta varandra, och man kan förvänta sig att en parasit under stark selektion snabbt förlorar sin genetiska mångfald. I Leishmania, dock, de mycket frekventa kromosomduplikationerna gör det möjligt att kombinera båda. Verkligen, parasiten bibehåller sin mångfald genom att tillåta att samma kombination av alleler selekteras samtidigt i genetiskt olika individer.

Gerald Späth, Direktör för enheten för molekylär parasitologi och signalering vid Institut Pasteur i Paris, som ledde den experimentella delen av denna studie, kommentarer:"Grundläggande, applicerad, och klinisk forskning i Leishmania bedrivs nästan uteslutande med hjälp av parasiter från långtidsodling. Vår studie visar att parasitgenomet utvecklas mycket snabbt under laboratorieförhållanden. Detta måste beaktas när man studerar parasitbiologin och söker efter nya biomarkörer, läkemedel, eller vaccinkandidater. Framtiden för Leishmania-forskningen bör bedrivas på ett mer integrerat sätt, med tanke på de komplexa genetiska interaktionerna mellan parasiter, ryggradsdjursvärd och insektsvektor, och under kliniskt relevanta förhållanden, till exempel med användning av parasiter från korttidsodling eller direkt vävnadssekvensering".

Cedric Notredame, Senior Principal Investigator vid Center for Genomic Regulation i Barcelona, som ledde den jämförande genomikdelen av denna studie förklarar:"Föreställningen att genamplifiering är en väg för anpassning har länge funnits, men vårt arbete visar att i Leishmania, Evolutionen har skalat upp denna mekanism till den grad att den gör den till en väsentlig del av parasitens livscykel. En ökande mängd arbete visar att liknande komplexa aneuploidivariationer spelar en roll i vissa former av cancer och vi tror att den snabba ackumuleringen av NGS genomikdata kombinerat med nya in-silico-tekniker - som de som utvecklats i vår studie - snart kommer att leda till en bättre förståelse av sambanden mellan aneuploidi och allelselektion".

Professor Jean-Claude Dujardin från ITM påpekar:"Det tog oss mer än fem år att samla in en aldrig tidigare skådad sekvenseringsdatauppsättning från kliniska isolat på den indiska subkontinenten och publicera en första analys förra året. En stor egenskap hos modern vetenskap är att all sekvenseringsdata måste offentliggöras, vilket möjliggör nya samarbeten och studier som våra. Det möjliggjorde också upprättandet av en ny allians mellan ITM, Institut Pasteur och CRG i kampen mot infektionssjukdomar."

Resultaten av denna ursprungliga studie är mycket relevanta för andra mänskliga sjukdomar som är beroende av genominstabilitet, såsom svampinfektion eller cancer, och öppna nya arenor för anti-leishmanial läkemedelsupptäckt med hjälp av värdriktade strategier som riktar in sig på parasitens metabola beroende av värdcellen, förhindrar således den adaptiva utvecklingen av läkemedelsresistenta parasiter.

Baserat på resultaten publicerade i denna tidning, och med syftet att studera Leishmanias biologi och epidemiologi i ett kliniskt mer relevant sammanhang, Dr Gerald Späth etablerade det internationella konsortiet 'LeiSHield', som samordnar en samordnad insats mellan partnerteam i Institut Pasteur International Network och utanför, som ursprungligen stöddes av en såddfond från Institut Pasteur International Direction, och finansieras nu av ett anslag på 1,7 miljoner euro från EU H2020-programmet.