Science:必需基因已被揭示,消除疟疾指日可待!
2018/05/08
疟原虫,尤其是恶性疟原虫,是地球上最致命的生物之一,它的致病性在很大程度上归因于其独特的基因组组成。这种寄生虫的基因组绝大多数偏向于A - T碱基对( > 80 % ),这使得科学家们难以应用基本的分子生物学技术对其进行研究。最近,南佛罗里达大学的一个研究团队利用恶性疟原虫基因组成的这种奇特现象,创造了38,000株突变株,进而确定了哪些生物基因对其生长和存活至关重要。

Colorized scanning electron micrograph of red blood cell infected with malaria parasites. [NIAID]

最新结果于5月4日以“Uncovering the essential genes of the human malaria parasite Plasmodium falciparum by saturation mutagenesis”为题发表在《Science》杂志上。

DOI: 10.1126/science.aap7847

恶性疟原虫的完整遗传序列是十多年前被确定的,但其大部分基因的功能仍然未知。先前,科学家们在实验室中只产生了几百个突变株。操纵恶性疟原虫的难点在于其基因组中腺嘌呤(adenine)和胸腺嘧啶(thymine)的百分比极高。由于产生突变体的标准方法依赖于更多的基因序列变异,因此对恶性疟原虫不起作用。

在最新的这项研究中,科学家们利用一种优先针对富含腺嘌呤和胸腺嘧啶的区域的技术,创造了几乎所有疟原虫的6000个基因的突变版本。

具体而言,研究人员利用恶性疟原虫基因组的AT丰富度产生了超过38,000个恶性疟原虫突变体。在这种诱变水平上,研究人员可以将必需基因区分为不可交换基因和可变基因。

“我们计算了诱变指数得分(MISs)和诱变适应度得分(MFSs),以便从功能上定义破坏5399个基因的相对适应度成本。” 作者指出。竞争性生长表型筛选(A competitive growth phenotype screen)证实,MIS和MFS可预测体外无性生长适应成本(the fitness cost for in vitro asexual growth)。其中被预测为必需的基因包括与耐药性相关的基因(如“K13” Kelch propeller、mdr、dhfr-ts)以及被认为对药物开发具有高价值的靶标(如 pkg and cdpk5)。该筛选还揭示了对人类疟原虫具有特异性但在啮齿类感染物种中不存在的必需基因,例如,在人类感染中对传播至关重要的脂质代谢基因。

需要强调的是,该研究所用的计算分析能够区分非必需基因(那些可能突变的基因)和必需的、不突变的基因。在疟原虫的无性血液阶段,大约2600个基因被认为是其生长和存活所不可缺少的,其中包括与恶性疟原虫抵抗抗疟药物的能力有关的靶标,这也表明,这些基因将成为是新的或改进的抗疟化合物的高度优先靶标。

“确定超过2680个必需基因,包括约1000个疟原虫保守必需基因(Plasmodium-conserved essential genes),对于抗疟治疗研究将是有价值的。”作者们总结道。

责编:艾曼

参考资料:

Malaria's Essential Genetic Repertoire Revealed

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  • Uncovering the essential genes of the human malaria parasite Plasmodium falciparum by saturation mutagenesis

    Severe malaria is caused by the apicomplexan parasite Plasmodium falciparum. Despite decades of research, the distinct biology of these parasites has made it challenging to establish high-throughput genetic approaches to identify and prioritize therapeutic targets. Using transposon mutagenesis of P. falciparum in an approach that exploited its AT-rich genome, we generated more than 38,000 mutants, saturating the genome and defining mutability and fitness costs for over 87% of genes. Of 5399 genes, our study defined 2680 genes as essential for optimal growth of asexual blood stages in vitro. These essential genes are associated with drug resistance, represent leading vaccine candidates, and include approximately 1000 Plasmodium-conserved genes of unknown function. We validated this approach by testing proteasome pathways for individual mutants associated with artemisinin sensitivity.

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