兩篇Science論文揭示瘧原蟲也有自己的內部時鐘,用於協調對宿主...

2021-01-09 生物谷

2020年5月20日訊/

生物谷

BIOON/---在瘧疾感染期間，無數瘧原蟲同時破壞它們所棲息的紅細胞。這種破壞會在感染者體內每隔24小時、48小時或72小時就會引起一波發燒和發冷，這取決於哪種瘧原蟲蟲株引起的感染。

多年來，科學家們一直假設宿主的生物節律負責對瘧原蟲活動的協調和計時。不過，在兩項新的研究中，研究人員發現瘧原蟲有它們自己的內部時鐘（或者說固有時鐘），從而既能對宿主做出反應，又能自行振蕩。

圖片來自CC0 Public Domain。

美國費城兒童醫院內科科學家Audrey Odom John（未參與這兩項研究）說，「這個領域有一個長期存在的問題，那就是為什麼瘧原蟲在哺乳動物宿主體內是同步的。這是因為宿主的原因還是因為瘧原蟲的原因？這兩項研究清楚地解答了這個問題，並且明確地指出瘧原蟲本身有一種內在時鐘，這種內在時鐘是瘧原蟲細胞周期的周期性的一部分。」

作為美國德克薩斯大學西南醫學中心的Joseph Takahashi實驗室的一名博士後研究員，Filipa Rijo-Ferreira和她的同事們在2017年已發現導致人類昏睡病的寄生蟲---布氏錐蟲---有內部時鐘（Nature Microbiology, 2017, doi:10.1038/nmicrobiol.2017.32）。她說，在這之後，在瘧疾中觀察到的特徵性節律性發燒，使得接下來研究瘧原蟲的內部振蕩變得很明顯。

在第一項研究中，Rijo-Ferreira及其同事們用夏氏瘧原蟲（Plasmodium chabaudi）感染小鼠，其中夏氏瘧原蟲感染導致小鼠患上瘧疾。他們發現無論是讓小鼠長期處於黑暗中，還是改變它們的進食節律，都不會擾亂夏氏瘧原蟲強大的細胞周期和基因表達節律。當Rijo-Ferreira團隊讓夏氏瘧原蟲感染經過基因改造後具有26小時而不是24小時晝夜節律的小鼠時，這種瘧原蟲將它們的無性生活周期延長到26小時，而不是典型的24小時，這表明它們是靈活的，對宿主的振蕩有反應。

在這一點上，Rijo-Ferreira團隊預測，如果這種瘧原蟲沒有內在時鐘，它們會在沒有明確節律的宿主中很快就變得不同步。但當他們用夏氏瘧原蟲感染經過基因改造後缺乏晝夜節律的小鼠時，這種瘧原蟲在5到7天內保持了24小時的細胞周期和基因表達節律，這表明它們確實有一種內部時鐘。鑑於這種瘧原蟲的內部時鐘最終失去了同步性，他們得出結論，它的內部時鐘節律依賴於宿主的協調。

Takahashi說，「在沒有這些宿主線索時，瘧原蟲群體失去了同步性。這表明瘧原蟲具有其自身的內在節律，但是瘧原蟲群體的同步性確實是由宿主來完成的。」

在第二項研究中，美國杜克大學生物學家Steven Haase領導的一個研究團隊發現當在人血中培養時，四種導致人類患上瘧疾的瘧原蟲蟲株在基因表達和細胞周期活動方面也表現出內在振蕩。雖然在體外培養的瘧原蟲比小鼠體內的瘧原蟲更快地失去同步性，但是在兩天的時間窗口裡，它們可以保持自己的節律，這與其他已經被證明擁有晝夜節律的培養系統是相類似的。

美國南加州大學生物學家Steve Kay（未參與這兩項新的研究）說，「這是一個真正令人興奮和令人驚訝的結果。這種振蕩器...... 表現出與晝夜節律振蕩器有很多相似之處，在某些程度上，與細胞周期振蕩器也是如此，這是因為它可以保持周期性，而且我們觀察到這些大規模的基因表達程序是由這種振蕩器控制的。」與此同時，這種瘧原蟲振蕩器的進化需要宿主晝夜節律的協調，而瘧原蟲本身並沒有已知的晝夜節律時鐘基因的同源物，要知道，這些晝夜節律時鐘基因往往在整個系統發育過程中分歧開。它「似乎不是我們所理解的典型晝夜節律。有一種全新的節律時鐘需要探索。」

英國愛丁堡大學生物學家Sarah Reece（未參與這兩項研究）在發送給《科學家》雜誌的一封電子郵件中寫道，「這兩項研究......揭示了瘧原蟲本身就負責對它們的複製進行計時，它們需要宿主的時間信息來保持同步和安排自己的時間。我希望這些研究團隊如今將能夠揭開瘧原蟲的計時機制的組成部分。」

Haase說，顯然，下一步就是研究這種計時機制，就像研究瘧原蟲體內的固有時鐘如何與宿主晝夜節律時鐘對話一樣。「我們的想法就是如果我們能夠了解這種機制，那麼我們就有了潛在新的抗瘧疾治療靶標。」

參考資料：1.Filipa Rijo-Ferreira et al. The malaria parasite has an intrinsic clock. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba2658.

2.Lauren M. Smith et al. An intrinsic oscillator drives the blood stage cycle of the malaria parasite Plasmodium falciparum. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba4357.

3.Malaria Parasites』 Biological Clocks Coordinate Cell Destruction
https://www.the-scientist.com/news-opinion/malaria-parasites-biological-clocks-coordinate-cell-destruction-67536

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