袁晶课题组揭示疟原虫形态控制和疟疾按蚊传播的关键分子

　　

12月20日，袁晶课题组在Nature Communications杂志在线发表了题为 “Apical anchorage and stabilization of subpellicular microtubules by apical polar ring ensures Plasmodium ookinete infection in mosquito” 的研究论文。该研究揭示了疟原虫顶端极环锚定动合子表膜微管和调控细胞变形的分子细胞机制。

疟原虫是寄生原生动物类病原，每年导致数亿人口感染疟疾和超过60万人死亡。疟疾的传播严格依赖雌性按蚊。疟疾病人被按蚊叮咬吸血后，疟原虫伴随血液作为“食物”进入按蚊中肠。为了避免被消化酶分解，疟原虫进化出高效的感染、寄生和传播的适应性机制。在中肠肠腔内，疟原虫受精卵合子（Zygote）需要变形为新月形动合子（Ookinete），才能穿越中肠上皮，定植在中肠基底（体腔）侧，建立按蚊感染。动合子变形，包括极性突出-极性延伸-成熟，依赖表膜微管骨架的建立。

动合子具有60根apical-basal轴向分布的表膜微管，由细胞顶端生发，延伸至尾端（长度为10-15 um），相邻微管间距为100 nm（图1）。表膜微管是动合子变形和疟原虫传播的必需细胞结构，然而表膜微管骨架建立和维持的机制未知。作者之前揭示了动合子内膜复合物蛋白ISP1和ISP3作为锚定分子实现微管表膜锚定的功能和机制（The EMBO Journal，2020），建立了疟原虫亚细胞结构的组分蛋白鉴定和超分辨成像方法（eLife，2022）。

图1 疟原虫动合子表膜微管结构（超分辨成像）

在本研究中，通过蛋白定位筛选，鉴定到一个动合子顶端极环蛋白APR2；遗传和生化分析显示APR2是一个微管结合蛋白并参与表膜微管的顶端锚定；APR2缺失，动合子变形完全受阻，疟原虫按蚊传播阻断。分子机制上，通过蛋白临近标记方法和蛋白质谱，首次鉴定了动合子顶端极环蛋白质组；在此基础上，结合酵母双杂交筛选和遗传功能分析鉴定了疟原虫表膜微管顶端锚定的功能模块“APR2-APRp2-APRp4”，其中APR2氨基端负责与微管直接结合，羧基端则负责与APRp2和APRp4直接结合，共同维持顶端极环的结构完整性和表膜微管的顶端锚定（图2）。

图2 疟原虫顶端极环调控动合子表膜微管的顶端锚定

此外，该研究利用生物素临近标记和超分辨成像，首次解析了动合子顶端极环三维空间结构，为后续深入研究顶端极环的功能提供了结构基础（图3）。

图3动合子顶端极环的超分辨率结构

（左：侧视图 中：俯视图 右：三维重构）

我室博士毕业生钱鹏戈、博士后王旭和武汉大学博士生关翠荣为本文第一作者；我室袁晶教授和武汉大学姜恺教授为本文通讯作者，我室为第一完成单位。该研究得到国家自然科学基金和厦门大学校长基金资助。

论文全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35270-w