疟原虫磷脂翻转酶Flippase在疟原虫按蚊传播中的功能研究

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疟原虫是疟疾传染病的致病寄生虫,每年因感染疟原虫而发病的人数超过1.5亿,疟原虫的传播严格依赖雌性按蚊,随按蚊叮咬疟疾病人进入按蚊中肠,在中肠内发育为新月形且具有运动能力的动合子,动合子入侵和穿越按蚊的中肠上皮,随后在中肠上皮基底层发育为卵囊,这是疟原虫通过按蚊传播的必需步骤。P4-ATPase又被称为磷脂翻转酶,它能够将特定的磷脂分子从磷脂双分子层的一侧转运到另一侧,从而维持细胞膜磷脂分布的不对称性,这种磷脂的不对称性调控了细胞的一系列如生理、代谢、信号转导等重要功能。本文中,我们以鼠约氏疟原虫(Plasmodium yoelii)作为研究模型,深入分析了疟原虫磷脂翻转酶ATP7在按蚊传播中的功能,发现其对动合子入侵和穿越按蚊中肠上皮至关重要。约氏疟原虫磷脂翻转酶包含3名成员ATP2、ATP7和ATP8。我们利用CRISPR/Cas9技术,成功实现了对这3个磷脂翻转酶敲入6×HA短肽标签,并分析了它们在疟原虫各个时期的蛋白表达水平及亚细胞定位。进一步研究表明,通过CRISPR/Cas9技术未能实现atp2和atp8的基因敲除,而atp7基因能够成功敲除并获得敲除型单克隆虫株。Δatp7虫株在疟原虫红细胞阶段的生长发育和增殖正常,但在按蚊阶段的生长发育较之野生型虫株具有显著缺陷,完全不能形成卵囊和唾液腺子孢子,并导致其按蚊传播阻断。更加细致的分析表明,Δatp7虫株的雌雄配子体激活和受精能力、合子转化为成熟动合子的能力、以及动合子成功入侵按蚊中肠上皮细胞的能力均正常。而缺陷发生在动合子侵入中肠上皮细胞之后,P28(动合子表面蛋白)阳性动合子细胞较之野生型显著减少,且绝大部分P28信号表现出异常的破损状态。通过Ogfp和OmCherrry/Δatp7荧光报告虫株体外纯化动合子薄膜饲喂按蚊实验显示Δatp7动合子短时间内(2小时)即被按蚊中肠上皮清除。ATP7蛋白的第210位谷氨酸(E)是实现其磷脂翻转功能的关键活性位点,将该位点进行基因原位突变为谷氨酰胺(Q)获得了突变虫株atp 7m1,该虫株ATP7的蛋白表达水平和动合子亚细胞定位没有改变,却表现出与Δatp7虫株同样的表型缺陷。通过磷脂翻转实验证明Δatp7虫株与atp7m1虫株转运NBD-PC(NBD标记的磷脂酰胆碱)的能力较之野生型虫株显著降低,结果表明PC为磷脂翻转酶ATP7的磷脂转运底物。绝大部分的磷脂翻转酶都有一个CDC50亚基与其组成异源二聚体共同发挥功能,我们鉴定出约氏疟原虫CDC50C蛋白与磷脂翻转酶ATP7在动合子阶段共定位,通过Co-IP(免疫共沉淀)和PLA(邻位连接实验)均证明二者存在蛋白间相互作用。通过AID(生物素诱导的降解系统)介导的动合子阶段的CDC50C蛋白条件性降解实验,我们发现CDC50C蛋白的敲低同样会导致动合子入侵中肠上皮时被快速清除,与敲除ATP7蛋白的表型缺陷完全相同。进一步分析表明,这种由ATP7/CDC50C复合物缺失引起的动合子快速清除作用并不依赖我们所熟知的按蚊类补体免疫。我们将体外培养并纯化的Δatp7动合子显微注射到按蚊血腔中,使Δatp7动合子人为越过中肠上皮屏障并在血腔中发育,可以回复Δatp7虫株的表型缺陷,注射后的动合子能够在按蚊血腔中成功发育为卵囊并最终在唾液腺中检测到了成熟的唾液腺子孢子。综上所述,我们发现了由疟原虫磷脂翻转酶ATP7/CDC50C复合物介导的一种新型保护机制,保护了疟原虫动合子在入侵中肠上皮过程中免受按蚊宿主的清除作用,为阻断疟疾的按蚊传播提供了新的靶标。
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