Эпигенетическая рулетка в плазмодии кровотока : азартные игры на сексе

Институт инфекций, иммунитета и воспаления, Колледж ветеринарии и медико-биологических наук и Центр молекулярной паразитологии Wellcome Trust, Университет Глазго, Шотландия, Соединенное Королевство,

Институт инфекций, иммунитета и воспаления, Колледж ветеринарии и медико-биологических наук и Центр молекулярной паразитологии Wellcome Trust, Университет Глазго, Шотландия, Соединенное Королевство,

Хорошо известная и опасная патология, вызываемая малярийными паразитами (Plasmodium spp.), Проистекает из внутриэритроцитарного цикла развития (IDC), который представляет собой прогрессирующую инвазию в эритроциты мерозоитной формы паразита с последующим ростом паразита, бесполым размножением и лизисом. клетки-хозяина, высвобождающей логарифмически большее количество инфекционных мерозоитов. Экспрессию генов во время бесполого IDC можно в значительной степени рассматривать как результат повторяющегося транскрипционного каскада, преимущественно организованного членами семейства ApiAP2 факторов транскрипции / регуляторов хроматина, который запускается после трансформации спорозоитов в гепатоцитах [1]. Однако популяции паразитов, образующиеся на этом этапе роста, далеко не однородны.Успешные (даже изогенные) популяции паразитов накладывают вариации на базальную программу транскрипции посредством хеджирования ставок [2].

Что такое хеджирование ставок?

Хеджирование ставок - это процесс, при котором определенные области генома (которые могут включать в себя мультигенные семейства, семейства с низким числом копий и отдельные гены) однозначно (вариантно) транскрибируются небольшой частью популяции клеток. Каждый член популяции выражает свою мозаику из этих вариантно транскрибируемых генов. Создавая гетерогенность популяции в хозяине, который, с точки зрения паразита, эффективно выбирается случайным образом, популяция паразита с большей вероятностью сможет произвести особей, способных процветать в любой данной среде хозяина [2]. Основная работа лаборатории Альфреда Кортеса продемонстрировала, что хеджирование ставок на самом деле было стратегией, широко применяемой в геномах Plasmodium falciparum [3]. Изолят конкретного приблизительная 4% каждый P .Геном falciparum участвует в транскрипции вариантов, создавая значительную гетерогенность и подготавливая популяцию в целом к ​​различным экологическим проблемам. Несколько генов претерпевают вариант транскрипции во всех протестированных штаммов, так и в общей сложности 28 семейства генов содержат элементы, которые variantly выраженные, в том числе всех основных высокого копирования числовых семейств и хорошо известной вар семейства генов, выражающий P . falciparum, поверхностные белки эритроцитов PfEMP1. Однако многие другие функции клеток предположительно являются вариативными, и хеджирование ставок может включать, но не ограничивается, вариации связывания эритроцитов (семейство Rh ) [4], поглощения растворенных веществ ( гомологи clag 3) [5], ко-шапероны ( phistb/ dnaj ) [3] и киназы ( fikk ) [3]. Регуляция изменчивости в значительной степени, если не полностью, зависит от эпигенетических механизмов и обнаруживает сильную корреляцию с репрессивной эпигенетической меткой H3K9Me3, ассоциированным связыванием HP1 и транскрипционной изменчивостью. Необходимы дополнительные сведения о механизме (ах), лежащем в основе хеджирования ставок, прежде чем станет ясно, сможет ли одна модель объяснить все формы вариантной транскрипции, но общая концепция действительна для всех вариантов экспрессии.

Эпигенетическая регуляция экспрессии генов и антигенные вариации / вариации транскрипции

Успешные патогены попытки продлить их инфекцию через антигенную вариацию-клональную экспрессию одного члена структурна родственный , но дистинктивный репертуар генов, например, вар , который является номером 60 в типичном P . falciparumгеном - тем самым уклоняясь от адаптивной иммунной системы хозяина [6]. Переключение экспрессии между членами семейства генов с соответствующей (низкой) частотой сводит к минимуму иммунное распознавание популяции паразитов, численность которой может увеличиваться и уменьшаться, но сохраняется [7]. Это разновидность стратегии хеджирования ставок, но она налагает большие ограничения на целевое семейство генов, поскольку для максимального успеха подавляющее большинство генов должно быть абсолютно молчаливым и иметь низкую частоту переключения - ограничения не обязательно применяются к другим генам. вариантно транскрибируемые мультигенные семейства. Как отмечалось выше, регулирование вар.репертуар достигается эпигенетически, что достигается посредством модификации N-терминального хвоста гистонов, создавая зоны молчания факультативного гетерохроматина [6], которые затем собираются вместе в процессе, контролируемом нитчатым актином [8], возможно, облегчая их совместную регуляцию. Такое полное молчание может быть достигнуто с помощью специализированного эпигенетической регуляции и посвященный, а не полностью (по роду) сохраняется, SET-домен , содержащий метилтрансферазы (PfSet 2 или PfSet против ) , что метилаты H3K36 в P . falciparum и связано с подавлением гена var

Гены Var имеют особую организацию генома, группирующуюся в основном в субтеломерных областях хромосом, с дополнительными тремя резервуарами, распределенными более центромерно. Понимая, что все, кроме одной, var будут заглушены, репрессированные var помечены H3K9Me3 [9,10] и связаны с HP1, что, в свою очередь, способствует упаковке в расширенную область заглушенного конденсированного гетерохроматина, который становится физически более недоступным из-за своей пространственной организации. в виде скоплений на периферии ядра. Индивидуальная активация var изучалась путем отбора клонов паразита, которые переключились на определенный клонотип, и сравнения их с таковыми до события переключения. Активный varтеперь отмечен хроматином, характеризующимся мотивом ацетилирования в H3K9 (H3K9Ac), триметилированием по H3K4 (H3K4Me3), связанным с нуклеосомами, содержащими гистон H2AZ, и занимает транскрипционно пермиссивное перинуклеарное местоположение, которое физически отличается от заглушенных периферических генов и характеризуется классический ядрышковый белок Nop1 [11–17]. Процесс активации, вероятно, будет упорядочен с участием первого перемещения, как это было замечено для др. Вариантно транскрибируемого гена, pfrh4 , с последующим деметилированием по H3K9 и, предположительно, приобретением меток активированного хроматина [18]. Активная конформация хроматина вокруг экспрессируемого члена var , по крайней мере частично, поддерживается гистон-метилтрансферазой pfset10., отвечающий за метку H3K4Me3 [19].

Передача - это процесс, идеально подходящий для хеджирования ставок

Одна из многих черт, к которым хеджирование ставок может быть применено в стратегии выживания малярийных паразитов, - это приверженность гаметоцитогенезу. Это подготовка паразита к передаче комару, единственный путь, по которому паразит может перейти к новому хозяину и, следовательно, необходим для долгосрочного выживания популяции. Гаметоцитогенез - это отдельный путь развития, который генерирует половые диморфные гаметоциты, и хеджирование ставок гарантирует, что этот путь будет стохастически выбран частью населения. В отличие от пролиферирующих форм бесполой стадии крови, гаметоциты являются специализированными, циркулирующими неядерными формами паразита с остановленным клеточным циклом, и когда оба пола попадают в кровь комара, они активируются с образованием мужских и женских гамет, которые оплодотворяются в качестве первоначальных. события передачи паразитов.Гаметоциты имеют определенный период полураспада, поэтому ставка должна быть сделана в каждом цикле развития. Более того, вполне вероятно, что условия окружающей среды, с которыми сталкивается паразит, будут отличаться, и, следовательно, более успешной эволюционной стратегией будет ситуативно чувствительное производство большего или меньшего количества форм передачи в оптимальном соотношении полов, обеспечивающее эффективную передачу инфекции. переносчик комаров (возможно, также снижающий патогенность для больного хозяина). Следовательно, процесс хеджирования ставок на гаметоцитогенез сам может быть способен к амплификации в ответ на передачу сигналов, реагирующих на окружающую среду. Амплификация увеличивает вероятность того, что любая данная клетка в популяции совершит фиксацию. Такой механизм может работать, потому что приверженность гаметоцитогенезу зависит от экспрессии единственного главного регулятора.Потенциальным таким регулятором является консервативный фактор транскрипции AP2-G [20,21] (рис. 1). AP2-G - это ядерный белок, идентифицированный в независимых исследованиях как вP . фальципарум и P . berghei (инфекционный возбудитель малярии у грызунов), и во всех , кроме одного примера, где Р . falciparum- специфический ген gdv1 удален из-за субтеломерного поражения [22], в паразитных линиях, которые были отобраны из-за неспособности продуцировать гаметоциты, ap2-g содержит бессмысленную или миссенс мутацию. Направленное нарушение и индуцируемая экспрессия ap2-g подтверждают эту роль. AP2-G связывается с коротким восьминуклеотидным палиндромом, который расположен выше статистически значимого числа известных генов, специфичных для гаметоцитов, включая ap2-g.сам (рис 1). Сама собой напрашивается модель, в которой функция AP2-G действует через петлю положительной обратной связи, генерируя критическую пороговую концентрацию AP2-G, которая, когда она достигается, означает приверженность и взаимодействие с нижележащими промоторами. Одним из них является AP2-G2, который является вторым членом семейства факторов транскрипции AP2 ниже AP2-G, который важен для созревания гаметоцитов и содержит сайт связывания AP2-G в своей промоторной области [21]. Впоследствии было продемонстрировано, что AP2-G2 отвечает за событие глобальной репрессии транскрипции, которое является важной фазой для полного созревания гаметоцитов [23].

Левая панель: изображение эритроцита, инфицированного малярийным паразитом, на котором показаны различные компартменты, созданные паразитом (PV, паразитофорная вакуоль; PM, плазматическая мембрана; N, ядро; RBC, красные кровяные тельца), возможные местоположения предполагаемых переносчиков, и киназы, отвечающие на сигналы окружающей среды (например, микровезикулы), которые могут впоследствии влиять (положительно или отрицательно) на экспрессию генов / эпигенетический статус вариантно транскрибируемых генов и расположение таких генов на периферии ядра в различных комплексах и локали в соответствии с их транскрипцией. статус (зеленый - расшифровано; красный - отключен). Правая панель: желтая рамка представляет ген ap2-g., который кодирует ДНК-связывающий фактор транскрипции. Позиции инактивирующих мутаций, отличающийся тем , различные линии Р . berghei, которые не могут продуцировать гаметоциты. Известный статус модификации гистонов и состав нуклеосом, связанных с активными и неактивными генами, указаны и либо выведены для этого гена из данных, полученных из исследований экспрессии гена var , либо (не) непосредственно из эпигенетической регуляции и обзоров хроматина. Таким образом, ассоциация HP1, который связывается с H3K9me3, с неактивным хроматином и подавление ap2-g, как и связь активности HDAC2 с генерацией активной эпигенетической метки, H3k9Ac. Предполагается, что белок бромодомен, который связывает KAc в гистоновых хвостах, связанных с активным хроматином, участвует в регуляции активности, но в настоящее время в открытом доступе нет данных, подтверждающих это. Эти три белка были условно деградированы после того, как были помечены чувствительным к экрану доменом деградации (DD), что привело к ремоделированию хроматина и замалчиванию или активации ap2-g , как указано. Предлагаемая петля положительной обратной связи указывается, что объясняет ТЧД2-G ауторегуляцию, в результате чего ТЧД2-G связывается со своими собственными родственными мотивами ДНК-распознаванием, которые выше по потоку от ар2-г гена в обоих P . Bergheiи P. falciparum . DBD, ДНК-связывающий домен; HP1, гетерохроматин-связывающий белок 1; BDP, белок бромодомена; HDAC2, гистондеацетилаза 2; DD, домен деградации, регулируемый щитом.

Ap2-g является хеджируемым и эпигенетически регулируется механизмами, перекрестно взаимодействующими с антигенными вариациями

Работа группы Кортеса в описании ставки хеджирования в P . falciparum продемонстрировал, что единственным наиболее вариантно транскрибируемым членом семейства apiap2 в геноме был ap2-g [3]. Кроме того, два независимых исследования ранее идентифицировали ген как островок репрессии гена, отмеченный H3K9Me3 [9,10] и расположенный на периферии ядра [9], а третье исследование идентифицировало ap2-g как связанное с HP1 [24]. . Два недавних исследования в P . falciparumтеперь свяжите эти наблюдения с функцией AP2-G и эпигенетической регуляцией (рис. 1): условное истощение (CD) HP1 вызвало общее снижение уровней метки H3K9Me3 в гетерохроматине и 50% -ное уменьшение числа клеток, вступающих в гаметоцитогенез [ 25]. Сходным образом CD гистондеацетилазы HDAC2 увеличивал гаметоцитогенез в два-три раза [26]. Гены, активируемые в мутантах HDAC2CD, соответствовали многим из тех, которые были отмечены как связанные с HP1, совпадая с генами, активируемыми в мутантах HP1CD по идентичности (если не степени) позитивной регуляции: транскрипция ap2-g постоянно повышалась. -регулируется в обоих исследованиях. Активные эпигенетические метки у ap2-g еще не описаны , а у паразитов дикого типа большинство любой популяции (когда у P. berghei , можно ожидать , что только переменная примерно 10% за цикл отвечает за гаметоцитогенез) в заглушенном гетерохроматине. Тем не менее, недавний доклад бромодомен белок 1 (PfBDP1) связывание с H3K9Ac / H3K14ac и количественно регуляция экспрессии генов , ассоциированных с Р . falciparum merozoite invasion [27] открывает перспективу аналогичного стабилизирующего действия активного хроматина с помощью связывающего эпигенетическую модификацию белка, который потенцирует петлю положительной обратной связи AP2-G и запускает половое развитие.

Учитывая роль хеджирования ставок как механизма выживания, возможно, неудивительно, что возникают параллели между регуляторными механизмами ключевых адаптаций внутри хозяина и единым «механизмом бегства» для дальнейшей передачи паразита.

Перспектива

Теперь у нас есть удивительные и ощутимые доказательства общности механизмов, используемых Plasmodium для регулирования как антигенной изменчивости, так и приверженности гаметоцитогенезу, несмотря на то, что они преследуют совершенно разные идеальные цели. Посредством того же принципа хеджирования ставок (хотя и модифицированного с помощью экологического зондирования для выражения ap2-g ) могут быть реализованы оптимальные результаты для этих двух явлений, и их подробное механистическое сравнение может дать представление об эволюции и разделении этих процессов в Плазмодий . Например, ферментативная связь еще не приписана метилированию гистонов (положительному, H3K4Me3 или отрицательному, H3K9Me3) в гаметоцитогенезе, а лизинметилтрансфераза, которая является центральной для varрегуляция, pfset2 / pfsetvs , отсутствует при малярии грызунов и поэтому с меньшей вероятностью играет роль в приверженности гаметоцитогенезу [28]. В конце концов, мы должны прийти к пониманию того, как различные аспекты эпигенетического регуляторного аппарата могут быть наслоены и ситуативно модифицированы организмом для достижения требуемой точной модульности управления. Хеджирование ставок не может быть достигнуто исключительно с помощью эпигенетических механизмов. Все аспекты экспрессии генов, в принципе, подвержены стохастическим изменениям, например, транспорт РНК, стабильность, эффективность трансляции и сворачивание белка - любой из которых может влиять, например, на уровень активного AP2-G. Отрицательное влияние РНК связывающего белка PfPUF2 на gametocytogenesis в P . falciparumуже описана [29], а роль РНКазы II Pf в подавлении белка varРепертуар - это недавнее открытие, которое может найти параллель в контроле приверженности гаметоцитогенезу [30]. Наконец, учитывая, что передача к новому хозяину является окончательным требованием для долгосрочного выживания паразита, на хеджируемую приверженность гаметоцитогенезу может каким-то образом повлиять паразитическая среда. Связывание гибкости преданности гаметоцитогенезу с отбором паразитом образцов окружающей среды кажется привлекательной стратегией, хотя большинство экспериментов, проведенных для решения этой проблемы на сегодняшний день, не исключают простого выбора результата хеджирования ставок. Для зондирования требуется устройство для распознавания (по каким причинам и есть ли несколько факторов?) И (интегрирующая?) Сигнальная система, которая могла бы реально повлиять на ap2-g.выражение (рис. 1). Конкретные доказательства механизма восприятия получены из демонстрации того, что экзосомы или микровезикулы эритроцитов (RMV), полученные из инфицированных эритроцитов, влияют на выработку гаметоцитов дозозависимым образом и обеспечивают потенциальную связь между восприятием кворума и приверженностью гаметоцитогенезу [31,32] . RMV являются биохимически сложными, и точный компонент (ы), который может влиять на приверженность гаметоцитогенезу, остается неясным. Методы экологического зондирования, помимо зондирования кворума, которые позволяют напрямую оценить пригодность окружающей среды, существование конкурирующих генотипов паразитов и другие «угрозы», для которых имеются экспериментальные доказательства, еще предстоит разгадать. Ничто из вышеперечисленного не рассматривает все еще загадочный вопрос о механизме (ах) гендерного отбора в гаметоцитогенезе.и любой (или несколько) из различных механизмов, которые были рассмотрены [33], могут оказаться правильными. Данные свидетельствуют о том, что преданные мерозоиты одного и того же шизонта продуцируют гаметоциты одного и того же пола, но нам не хватает каких-либо сведений о времени выбора пола, который может даже предшествовать продукции AP2-G.

Благодарности

Автор благодарит доктора Кэти Хьюз за предложения и внимательное чтение рукописи.

Отчет о финансировании

Лаборатория автора поддерживается грантами Wellcome Trust (083811) и грантовым соглашением Европейской комиссии 242095 (Evimalar). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.