恶性疟原虫关键致病基因表达调控的机制研究

Plasmodium falciparum is the deadliest form of human malaria, a parasitic infectious disease causing devastating consequence. After infection of human host, this parasite is able to control the antigenic variation by adopting a mutually exclusive expression strategy for those variant gene families such as var, rif and stevor, then evade human immune responses and establish a chronic infection. Thus, this gene expression mode is the basis of immune evasion and pathogenesis of this parasite, however, it still remains unclear how malaria parasites achieves this strategy in host. In this study, based upon gene knockout parasite, eg. PfSETvs, in which all the var genes were expressed, we aim to explore the regulation of chromatin interactions directed by histone modifications, the functional complex of the var gene-derived antisense lncRNAs and their related factors, and the interaction pattern of different transcriptional factors that broadly regulate expression of var genes. Meanwhile, we will establish and elucidate the molecular regulation network controlling mutually exclusive expression of the var, rif and stevor gene families using systems biology research tools. We believe these findings will contribute to understanding the mechanisms of antigenic variation and pathogenesis, and to the development of effective malaria vaccines and novel anti-malarial drugs by providing new targets for malaria prevention and treatment.

恶性疟原虫是当今严重危害人类健康的疟疾病原体，其感染人体后在红细胞期可采用让以var基因为代表的各类表面抗原基因家族“相互排斥性表达”的策略，实现免疫逃避；同时，由于不同表面抗原分子与宿主细胞表面不同受体的相互黏附可在临床上导致不同的疾病表现和后果。因此，变异抗原家族的相互排斥性表达模式是其在宿主体内实现免疫逃避和致病的基础，但是其具体的调控机制尚未阐明。本研究中，我们将利用可表达全部var基因的基因敲除虫株模型，探索不同组蛋白修饰介导的染色质互作规律、反义lncRNA相关功能复合体的鉴定和转录调控机制、以及转录广谱调节因子的鉴定和作用模式，揭示var基因相互排斥性表达的调控机制；同时将通过系统生物学的方法建立var、rif和stevor等不同表面抗原基因家族表达调控的分子协作网络，并分析其互作机制，以期阐明恶性疟原虫抗原变异与致病的新机制，为恶性疟疾的防治提供新的靶点和策略。

恶性疟原虫是当今危害最严重的传染病—疟疾的病原体，其感染人体后在红细胞期采用各类表面抗原基因家族“相互排斥性表达”的策略，实现免疫逃避和临床致病，但是这类表面变异抗原基因的协同调控机制尚未阐明。本项目主要基于两个维度开展研究：（1）不同层面上的表观遗传调控机制；（2）不同变异基因家族的共调控途径及相关因子。首先，我们对高效的CRISPR-Cas9i疟原虫转基因技术和各类基因遗传操作技术进行有机整合，建立了成熟的疟原虫遗传操纵技术平台，为大规模的功能性调控基因的筛选和后续机制研究提供了关键技术保障。随后，我们对不同表观遗传调控途径相关的潜在功能因子开展筛选和鉴定，包括ApiAP2转录调控因子家族、RNA转录后降解复合物、染色体高级结构调控因子、mRNA甲基化修饰酶等。研究发现：（1）转录水平上的调控：PfAP2-HF是恶性疟原虫基因组中异染色质区域形成的关键组成性因子。恶性疟原虫中共有8个异染色质相关转录因子，这些蛋白的协同互作对于异染色质结构的形成和功能维持具有重要作用，也是恶性疟原虫抗原变异基因排他性表达的分子基；（2）转录后水平上的调控：RNA降解复合物的核心酶Rrp6蛋白是疟原虫抗原变异的核心调控因子。Rrp6与其底物RUF6 ncRNA的互作，是恶性疟原虫抗原变异的广谱性调控机制。此外，我们还鉴定到甲基化转移酶NSUN2是疟原虫mRNA转录后修饰的重要催化酶，能够促进mRNA稳定性，从而参与疟原虫的各类生命活动，特别是疟原虫的有性生殖和传播；（3）染色质高级结构：恶性疟原虫高迁移率蛋白家族中的HMGB1是调控疟原虫染色体高级结构并影响变异基因表达的关键结构因子。这种核内染色质高级结构对于各类变异基因的有序表达具有重要作用。通过上述不同层面的研究，我们系统揭示了恶性疟原虫利用不同的表观遗传调控途径实现抗原变异和免疫逃避的分子网络，鉴定了一批关键的调控因子，阐明了协同调控网络，为全面了解疟原虫复杂的基因表达调控机制提供了新的理论，也为研制新型抗疟药提供了新靶点。