恶性疟原虫表面抗原相互排斥性表达调控机制的研究

Malaria, one of three most common infectious diseases in human, is one of the most difficult and challenging diseases in disease control and prevention nowadays. The most deadly form of the human malaria parasite, Plasmodium falciparum, changes expression pattern of parasite pathogenesis-related proteins after invasion of human erythrocytes to escape the host's immune response. Mutually exclusive expression of parasite variant surface antigens (PfEMP1, encoded by a var gene family) is the main mechanism. P.falciparum not only expresses PfEMP1 in a clonally variant manner to escape the host's immune response, but binds to human blood vessel endothelium via PfEMP1 to avoid spleen-dependent killing mechanisms. Currently, it remains unknown how epigenetic mechanisms control expression of the var gene family. To explore the molecular mechanism in controlling mutually exclusive expression of var genes, I plan to (1) knock out certain epigenetic regulator genes in P.falciparum and identify the knockout parasite that expresses the majority of the var gene family; and (2) characterize the biochemical activity of the epigenetic regulator and its functional role in controlling expression of the var gene family. This study will shed a light on understanding how P.falciparum escapes human immune response by epigenetic mechanisms, and will also support the development of novel malaria vaccines and antimalarial drugs.

疟疾作为当前人类三大传染病之一，是人类疾病防治领域的一大难题。恶性疟原虫侵染人体红细胞后，可利用改变致病蛋白的表达来逃避人体对其产生的免疫反应。其中疟原虫表面抗原var基因家族的相互排斥性表达是最主要的机制。疟原虫既可通过var基因编码的蛋白结合到人体血管内皮，从而逃避脾脏对其的吞噬，也可通过var基因间相互排斥性表达策略使其避开人体的免疫反应。目前，对调控var基因转录沉默的表观遗传机制尚未阐明。为探索调节var基因相互排斥性表达的分子机制，本项目拟开展如下研究：1）基因敲除疟原虫基因组中相关表观遗传调控因子基因，筛选可同时表达大多数var基因的基因敲除疟原虫；2）鉴定调控var基因相互排斥性表达的关键调控因子生化活性，及其作用的分子机制。本研究对揭示疟原虫规避人体免疫反应的表观遗传调控机制具有重要意义，也将为疟疾疫苗研制，发现抗疟药新的靶点提供实验依据。

疟疾是威胁人类健康最为严重的三大传染病之一。其中最严重的恶性疟原虫导致每年约100万人口的死亡。由恶性疟原虫var基因家族编码的表面抗原蛋白PfEMP1是引发恶性疟疾的一类最主要致病因子。恶性疟原虫通过var基因家族相互排斥性表达的方式进行免疫逃避，其调控机制一直以来是疟疾工作者的研究重点。对恶性疟原虫抗原表达的调控主要来自于遗传因子和表观遗传因子两个方面，但关键性调控因子及其作用机制并不明确。通过国家自然科学基金资助，我们经过4年多的时间，开创应用表观遗传学理论来解析恶性疟原虫免疫逃逸机理的新思路，揭示了表观调控因子调控重症疟疾的分子机制。首先，我们发现PfSETvs及其调控的组蛋白修饰H3K36me3共同调节var基因mRNA和负链长非编码RNA（lncRNA）的转录沉默，这也为今后深入理解var基因负链lncRNA的功能及其在var基因家族表达转换模式形成中的作用提供了良好的候选调节因子资源。这项工作第一次从真核生物全基因组层面上建立了组蛋白修饰H3K36me3抑制基因转录的理论，突破了学术界传统认为的其只参与基因活性转录调控的观点。我们进一步证明了在PfSETvs基因敲除疟原虫感染的单个红细胞表面富集了多种PfEMP1，这为开发新型多价全虫疫苗提供了实验基础。相关论文已经于2013年7月发表在Nature（第一作者，第一通讯作者）。其次，我们进一步鉴定到了调控var基因家族转录激活的广谱因子PfAP2，为全面阐明var基因家族相互排斥性表达机制提供了分子基础。第三，首次筛选得到可直接申报1/2期临床结合试验的一个新型表观遗传类抗疟药分子，为有效延缓青蒿素抗性恶性疟原虫在全世界范围内的传播提供了潜在的新手段。该项目申请人作为第一专利申请人已申请利用JL01治疗疟疾的国家发明专利（专利申请号：2016100963889），并于2016年成功完成项目转化，目前已与上海新生源医药集团签署了成果转让协议，协议金额人民币8000万元。