Cell｜代謝重編程——瘧原蟲肝臟階段快速生長的關鍵

　　瘧疾是一種由寄生蟲通過受感染的雌性按蚊叮咬傳至人類并威脅生命的疾病。共有5種寄生蟲會導致人類瘧疾，其中惡性瘧原蟲和間日瘧原蟲危害最大。多年以來，瘧疾的研究重點主要放在致病的紅細胞內期，但是惡性瘧原蟲能夠對青蒿素在內的所有針對紅細胞內期階段的藥物迅速產生耐藥性，因此亟需新藥【1】。針對紅細胞外期階段（肝臟階段）設計藥物有巨大優勢【2】，因為一旦成功就能遏止一切臨床癥狀還可用來清除休眠階段的間日瘧原蟲，而且已有研究證明在該階段，瘧原蟲和人肝細胞存在代謝差異【3】，理論上可用于藥物開發，但遺憾的是我們目前對該階段的瘧原蟲代謝認知幾乎是空白的。

　　2019年11月14日，瑞士伯爾尼大學Volker T. Heussler和英國Wellcome Sanger研究所Oliver Billker合作在Cell雜志上發表題為Genome-Scale Identification of Essential Metabolic Processes for Targeting the Plasmodium Liver Stage的文章，首次將大規模的遺傳篩選與代謝建模相結合，對伯氏瘧原蟲（Plasmodium berghe）肝臟階段的代謝情況進行了系統性研究，填補了這一空白。

　　首先，該團隊利用帶有Barcode的基因敲除載體（來源PlasmoGEM）構建、篩選了一個人體血液階段可存活的瘧原蟲突變體庫，并基于Barcode的測序分析了不同突變體在整個生命周期的表型變化。具體地，首先針對肝臟階段已知功能的15個基因和19個對照/測試基因，通過轉染獲得了一個突變體寄生蟲庫用于感染小鼠，并采集每只感染的小鼠血樣以獲得突變體庫的初始組成（B1）。然后讓120-150只雌性蚊子叮咬小鼠，并在感染后15天，對>30只的蚊子的中腸進行解剖（MG），感染后22天采集>60只蚊子的唾液腺（SG）獲取其中的子孢子。通過靜脈注射的方法，利用收集的子孢子感染另一批小鼠并于5天后采集血樣（B2）以評估肝臟中的寄生蟲的發育。如果被敲除的基因在肝臟階段發生重要功能，那么瘧原蟲的繁殖就可能會受到影響，其相對豐度就會降低。而該實驗突變體的相對豐度數據表明，已知在肝臟階段發揮關鍵作用的基因的突變體在SG和B2之間的相對豐度明顯下降。基于該預實驗，作者擴大了范圍，將每個突變體庫的大小限制為60個突變體。最終該團隊構建了27個突變體庫，共含1379種突變體，解剖了7000多只蚊子，對600多種Barcode進行了測序。

圖1利用Barseq鑒定紅細胞外期表型

　　在獲得數據的1359個突變體中，有898個突變體的相對豐度在所有過渡期均發生明顯減少。在B1-MG，MG-SG和SG-B2過渡期，分別有251、129和185個突變體數量降低。在SG-B2過渡期數量明顯減少（>100倍）的突變體，其敲除的基因功能與代謝相關。另外一些相對豐度降低的突變體涉及的某些途徑與肝臟階段血紅素和脂肪酸生物合成的重要性相當。而結果中未發現僅為肝臟階段必需的，與DNA修復、復制和蛋白水解功能相關的基因。

　　由于新陳代謝是SG-B2過渡期的特征，所以作者決定利用上述遺傳篩選的數據與肝階段轉錄組數據，建立一個伯氏瘧原蟲的肝臟階段代謝模型iPbe-liver（該團隊之前基于代謝數據構建了惡性瘧原蟲模型iPfa【4】）。首先作者構建了iPbe模型，該模型考慮了多種因素，包括營養成分的利用、基因表達和基因敲除表型等，整合了428個基因和1319個反應。然后進一步基于肝臟階段的數據，優化模型獲得了iPbe-liver模型。

　　然后作者通過體外實驗并結合建立的模型，發現瘧原蟲為了實現在肝臟階段的快速生長對代謝進行了重大的重新編程。最終確定了相比紅細胞周期，在肝臟發育階段更為重要的七個代謝子系統：II型脂肪酸合成和伸長（FAE）、三羧酸、氨基糖、血紅酸、脂酸、莽草酸。

　　總之，該研究通過大量的實驗工作和模型構建填補了肝臟階段瘧原蟲代謝途徑的關鍵知識空白，使之后開發針對肝臟階段的藥物潛在靶點成為可能，而確定的在肝臟階段十分重要的七個代謝子系統為針對代謝蛋白的抗瘧治療設計提供了一個合理的基礎。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.030

　　參考文獻

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