Картирование половой жизни малярийных паразитов с разрешением в одну клетку раскрывает генетику, лежащую в основе передачи

Малярия вызывается эукариотическим микробом рода Plasmodium и является причиной большего количества смертей, чем все остальные паразитарные заболевания вместе взятые. Чтобы перейти от человека-хозяина к переносчику-комару, паразит должен дифференцироваться в половую стадию, называемую стадией гаметоцита.

В отличие от первичного определения пола у млекопитающих, которое происходит на уровне хромосом, неизвестно, что заставляет этого одноклеточного паразита формировать самцов и самок. Новое исследование в Стокгольмском университете использовало геномные инструменты высокого разрешения для картирования глобального репертуара генов развития гаметоцитов в направлении мужской или женской половой судьбы.

Исследование, опубликованное в Природа Коммуникациираскрывает гены, которые экспрессируются в Plasmodium falciparum, самом смертоносном среди малярийных паразитов, с самого начала половой стадии развития до достижения зрелости. В этот момент мужские и женские гаметоциты готовы быть захваченными самкой комара Anopheles, чтобы инициировать неумолимый цикл передачи.

«Мы объединили передовые методы геномики отдельных клеток с новым вычислительным подходом, чтобы определить экспрессию нескольких важных генетических регуляторов на протяжении траектории развития мужских и женских гаметоцитов», — говорит Йохан Анкарклев, доцент кафедры молекулярных биологических наук Института Веннера Грена и старший автор исследования.

Исследование Стокгольмского университета, проведенное в сотрудничестве с доктором Йоханом Хенрикссоном из MIMS в Университете Умео и Центром геномики отдельных микробных клеток в SciLifeLab, имеет важное значение для улучшения нашего понимания генетики, лежащей в основе передачи малярии.

Широко распространенное семейство факторов транскрипции, называемое ApiAP2, оказалось ключевым регулятором экспрессии генов в ходе дифференциации и развития плазмодия на разных стадиях жизненного цикла.

«Наши данные высокого разрешения позволили нам вычислительно связать экспрессию нескольких из этих генов ApiAP2 с мужской или женской линией, что указывает на их участие в определении судьбы половых клеток. Что важно, мы также установили большой набор новых генов-кандидатов «драйверов» судеб мужских и женских клеток, которые мы в настоящее время дополнительно изучаем в лаборатории с использованием технологии CRISPR», — продолжает Анкарклев.

Исследование предоставляет важные результаты не только сообществу, занимающемуся борьбой с малярией, но и более широкому научному сообществу:

• С клинической точки зрения стратегии лечения исторически были нацелены на высокосимптоматическую, бесполую стадию заражения крови с различной степенью успеха. Важно отметить, что текущие стратегии лечения не подавляют передачу малярии. Это исследование предоставляет новые и важные генетические маркеры для будущей разработки терапии, блокирующей передачу, что является единственным способом подавить распространение малярии.
• С эволюционной точки зрения, учитывая, что Plasmodium — это древний микробный эукариот, производящий самцов и самок, новые данные и анализы предоставляют новую информацию и подсказки относительно эволюции пола у эукариот.

В настоящее время мало известно о половом размножении малярии.

Большинство эукариот размножаются половым путем, чтобы обеспечить разнообразие и отбор по приспособленности. У животных определение пола чаще всего происходит между самцами и самками. Однако среди огромного разнообразия организмов, составляющих эукариотические микробы, системы, по которым определяется пол, весьма разнообразны и часто скрыты.

Малярийный паразит, Plasmodium spp., принадлежит к типу Apicomplexan, группе облигатных инвазивных одноклеточных паразитов, которые образуют мужские и женские гаметы. Французский ученый Альфонс Лаверан впервые описал полумесяцеобразный малярийный гаметоцит в 1880 году. Два десятилетия спустя британский врач Роберт Росс сделал открытие, что малярия передается комарами.

Несмотря на эти важные открытия, только в последние годы был достигнут значительный прогресс в улучшении нашего понимания биологии стадий передачи малярии благодаря новым и новаторским биотехнологиям.

Как новые геномные инструменты способствуют прогрессу в исследовании малярии

Профилирование транскриптома отдельных клеток позволяет сделать снимок большого массива генов, экспрессируемых в одной клетке, в данном случае в одном малярийном паразите, в заданной точке развития. При добавлении тысяч транскриптомов отдельных клеток к анализу он становится мощным инструментом для определения генетических путей и бифуркаций развития, что необходимо для отслеживания родословной.

«Объединив псевдовремя и скорость РНК, два недавно разработанных вычислительных инструмента, мы выровняли несколько тысяч клеток вдоль разветвленной оси псевдовремени. Во-вторых, мы использовали оценки скорости РНК для определения кинетики сплайсинга среди транскриптов по осям развития. Это затем позволило нам предсказать большую панель предполагаемых «генов-драйверов» для мужской и женской половой судьбы, и, что интересно, большое количество этих генов ранее не были аннотированы», — говорит Мубашер Мохаммед, бывший аспирант лаборатории Анкарклева и ведущий автор исследования.

Мохаммед вырос в Судане, где на собственном опыте испытал разрушительные последствия малярии.

«Быть ​​ученым — это прекрасное время, ведь новые технологии позволяют нам совершать гигантские скачки в понимании различных типов заболеваний, от которых страдает человечество», — говорит Мохаммед.

На этапе передачи малярии наблюдается резкое снижение численности популяции паразитов, что делает ее привлекательной целью для усилий по борьбе с малярией.

«Когда в популяции возникает такое узкое место, она становится более уязвимой к лекарствам и факторам окружающей среды. Определив молекулярные механизмы развития гаметоцитов, мы можем нацелиться на эти пути для разработки эффективных стратегий блокирования передачи, что имеет жизненно важное значение для усилий по искоренению малярии», — говорит Алексис Дзедзех, бывший постдок в AnkarklevLab и соавтор исследования.