Картирование полового размножения малярийных паразитов с разрешением на уровне одной клетки раскрывает генетику передачи
Малярию вызывает эукариотический микроб рода Plasmodium. Чтобы передаться от человека-хозяина к комару-переносчику, паразит должен дифференцироваться в половую стадию, называемую гаметоцитом.
В отличие от определения первичного пола у млекопитающих на хромосомном уровне, неизвестно, что заставляет этот одноклеточный паразит формировать мужские и женские особи. Новое исследование Стокгольмского университета использовало высокоразрешающие геномные инструменты для картирования глобального репертуара генов развития гаметоцитов в сторону мужской или женской половой судьбы.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает гены, экспрессируемые у Plasmodium falciparum (самого смертоносного из малярийных паразитов) с самого начала развития половой стадии до достижения зрелости. В этот момент мужские и женские гаметоциты готовы быть поглощены самкой комара Anopheles для начала непрерывного цикла передачи.
"Мы объединили передовую одноклеточную геномику с новым вычислительным подходом, чтобы определить экспрессию нескольких важных генетических регуляторов вдоль траектории развития мужских и женских гаметоцитов", — говорит Йохан Анкарклев, старший автор исследования.
Исследование важно для улучшения понимания генетики, лежащей в основе передачи малярии.
Широко консервативное семейство факторов транскрипции ApiAP2 стало ключевым регулятором экспрессии генов во время дифференцировки и развития стадий жизненного цикла Plasmodium.
"Наши высокоразрешающие данные позволили нам вычислительно связать экспрессию нескольких этих генов ApiAP2 либо с мужской, либо с женской линией, указывая на их участие в определении половой судьбы клетки. Важно, что мы также установили большой набор новых генов-кандидатов, 'управляющих' мужской и женской клеточной судьбой, которые мы сейчас исследуем в лаборатории с помощью технологии CRISPR", — продолжает Анкарклев.
Исследование вносит важный вклад:
- С клинической точки зрения: текущие стратегии лечения не подавляют передачу малярии. Это исследование предоставляет новые важные генетические маркеры для будущей разработки терапий, блокирующих передачу, — единственного способа остановить распространение малярии.
- С эволюционной точки зрения: новые данные и анализы вносят новую информацию и дают ключи к пониманию эволюции пола у эукариот, учитывая, что Plasmodium — древний микробный эукариот, производящий мужские и женские особи.
Как новые геномные инструменты позволяют добиться прогресса
Одноклеточное профилирование транскриптома позволяет получить моментальный снимок большого массива генов, экспрессируемых в одной клетке (одном паразите малярии) в данный момент развития. Анализ тысяч таких транскриптомов становится мощным инструментом для определения генетических путей и точек ветвления развития, что необходимо для отслеживания клеточных линий.
"Комбинируя Pseudotime и RNA Velocity, два недавно разработанных вычислительных инструмента, мы выстроили тысячи клеток вдоль разветвленной оси псевдовремени. Затем мы использовали оценки скорости РНК, чтобы определить кинетику сплайсинга среди транскриптов вдоль осей развития. Это позволило нам предсказать большую панель предполагаемых генов-драйверов для мужской и женской половой судьбы. Интересно, что многие из этих генов ранее не были аннотированы", — говорит Мубашир Мохаммед, ведущий автор исследования.
Стадия передачи малярии знаменует резкое снижение численности популяции паразитов, что делает ее привлекательной мишенью для борьбы с малярией.
"Когда в популяции возникает такое узкое место, она становится более уязвимой для лекарств и факторов окружающей среды. Определяя молекулярные механизмы развития гаметоцитов, мы можем нацелиться на эти пути для разработки эффективных стратегий блокирования передачи, жизненно важных для усилий по искоренению малярии", — говорит Алексис Дзедзех, соавтор исследования.