Nature | 疟原虫血液期发育需要染色质重塑因子Snf2L

撰文 | 章台柳

恶性疟原虫的生命周期及其各个发育阶段需要一个紧密协调的转录程序。然而，这种基因表达的大范围变动不能仅用阶段特异性转录因子来解释，因为它们在恶性疟原虫基因组的代表性严重不足。恶性疟原虫的生命周期进程中伴随着染色质结构和表观遗传修饰的变化，表明这些调控机制在调节疟原虫发育的转录程序中起着核心作用。启动子处的染色质结构限制或允许转录因子的进入，从而代表真核生物基因表达调控的关键机制。组蛋白八聚体是序列特异性DNA结合因子的主要障碍，真核表观遗传调控机制，如位点特异性DNA/组蛋白修饰或RNA介导的过程，也会影响染色质的可及性。此外，转录延伸或DNA复制后染色质的维持和重建需要核小体组装、定位和间隔等。染色质重塑酶 （CRE） 依赖于ATP，执行核小体的运动、破坏或组装，还可以将组蛋白交换为变体，或改变染色质结构以控制对染色质中DNA的可及性。组蛋白CRE及其相关蛋白在真核生物中高度保守。人类细胞已经进化出53种Snf2家族酶，与相关蛋白形成了1000多种不同的多蛋白复合物。相比之下，恶性疟原虫只编码10种具有相关ATP酶结构域的酶【1】，但它们缺乏关键的核小体重塑基序。此外，恶性疟原虫中不存在已知的CRE相关复合亚基。因此，尚不清楚这些恶性疟原虫ATP酶是否代表功能性的染色质重塑酶，以及它们如何整合到多蛋白复合物中。恶性疟原虫的染色质不同于其他真核生物，具有极高的AT含量（>80%）【2】和高度分化的组分，从而产生典型的DNA包装特性。这些酶的分化可能代表了对异常高的AT含量和高度分化的染色质结构的适应，表明恶性疟原虫染色质组织具有不同机制。

近日，来自德国雷根斯堡大学的Gernot Längst和慕尼黑大学的Markus Meissner团队在Nature杂志上发表文章Plasmodium blood stage development requires the chromatin remodeller Snf2L，鉴定出恶性疟原虫Snf2L （PfSnf2L，由PF3D7_1104200编码） 是一种ISWI相关的ATP酶，可在体外重新定位恶性疟原虫的核小体。PfSnf2L对于调控无性发育和性分化是必不可少的。PfSnf2L通过在时空上决定核小体在阶段特异性基因的启动子上的定位，从而在全局范围内控制实时转录。针对PfSnf2L的独特序列和功能特性，开发出一种特异性杀死恶性疟原虫的抑制剂。这种抑制剂代表了一类通过抑制配子体形成的新抗疟疾传播阻断药物。

PfSnf2L是恶性疟原虫中与CREs的ATP依赖性ISWI亚家族最为相关的酶，该蛋白含有相对保守的ATP酶核心，但缺乏自我调节和底物结合结构域，同时具有富含天冬酰胺。使用重组纯化的PfSnf2L，发现其优先结合富含AT的DNA，并特异性结合核小体。PfSnf2L还以ATP依赖的方式沿DNA移动组蛋白八聚体，这种活性在重组人或疟原虫核小体底物上同样强。PfSnf2L是一种核小体刺激的ATP酶样ISWI酶，与hsSNF2L （人SNF2L） 相比，其ATP水解速率增加，重塑效率降低，这可能是由于缺少底物识别结构域。此外，PfSnf2L可以在没有ATP的情况下将DNA-组蛋白混合物中的八聚体重新组装成位置良好的核小体。

PfSnf2L在所有无性血液阶段表达，在晚期-环/滋养体阶段达到峰值。在细胞核中定位，分布不均，局部富集斑点。使用IP-MS检测到的相互作用与转录调控和染色质组装、重塑等有关。这提示PfSnf2L在染色质依赖性的基因表达调控中具有重要作用。敲除PfSnf2L导致发育和复制受损，进而导致死亡，即PfSnf2L在寄生虫存活和推动无性阶段的发育中起着至关重要的作用。为了确定显著的发育缺陷是否与寄生虫染色质图谱的改变有关，使用MNase-seq发现PfSnf2L的缺失在环期导致染色质可及性整体增加。分裂期只能观察到核小体图谱的微弱变化，但在环晚期核小体定位发生显著变化，其中约20%定位良好的核小体发生了转化，核小体占据率、模糊性和定位的变化在5’-UTR和基因间区更为富集。进一步研究显示，PfSnf2L会主动在基因的启动子区域打开NFR（无核小体区域）。启动子处的PfSnf2L结合随着基因表达水平的增加而变化，同时PfSnf2L KO也会导致相应基因表达的改变。PfSnf2L会随着基因表达的阶段性，协调启动子的结构变化。

染色质可及性的变化可能会引起基因表达的变化，进而导致发育和生存受损。为了验证这个假设，研究人员对恶性疟原虫进行时间分辨率的转录组分析。大多数恶性疟原虫基因表现出阶段依赖性的表达模式，在生命周期的特定时间点被激活或抑制。这些基因被分为四个阶段特异性基因簇，在早期环 （1417个基因） 、晚期环 （1226个基因） ，滋养体 （1421个基因） 或分裂体/裂殖子 （1389个基因） 阶段显示出表达峰值。PfSnf2L的缺失导致在相应阶段被激活基因的激活延迟，在该阶段被关闭基因的抑制也同样延迟。即PfSnf2L KO不影响特定基因类别的表达，但重塑酶的缺失会影响在特定发育阶段经历激活或抑制的基因。这表明需要PfSnf2L来维持整个寄生虫转录组的恰当调节时间。基因表达变化与生命周期进程延迟的表型一致。进一步研究显示，PfSnf2L是基因启动子处核小体结构的重要组织者，其活性是恶性疟原虫发育过程中无性红细胞内和配子体生成阶段及时转录激活/抑制所必需的。

PfSnf2L在疟原虫中具有重要作用，且与人类SNF2L的同源性仅有30%，这表明PfSnf2L是一个潜在的药物靶点。对小分子文库进行筛选，主要检测其对ATP酶活性的抑制和体外核小体重塑的抑制，其中NH125具有最佳的药物活性。NH125处理会导致恶性疟原虫发生发育延迟和死亡，类似于PfSnf2L KO的表型，所引起的转录组变化也类似于PfSnf2L KO。值得注意的是，一天的药物治疗不仅杀死无性红细胞周期中的寄生虫，而且大幅降低性转化率，即PfSnf2L对早期配子体发生是必需的。

总的来说，研究揭示了PfSnf2L是一种重要的表观遗传调节因子，通过调控启动子区域的核小体位置来控制阶段特异性基因的及时激活和抑制以及配子体发生来推动发育进程。同时筛选出PfSnf2L的小分子抑制剂，为开发通过抑制配子体形成的新抗疟疾传播阻断药物提供了参考。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08595-x

制版人：十一

参考文献

1. Iyer, L. M., Anantharaman, V., Wolf, M. Y. & Aravind, L. Comparative genomics of transcription factors and chromatin proteins in parasitic protists and other eukaryotes.Int. J. Parasitol.38, 1–31 (2008).

2. Watzlowik, M. T., Das, S., Meissner, M. & Längst, G. Peculiarities of Plasmodium falciparum gene regulation and chromatin structure.Int. J. Mol. Sci.22, 5168 (2021).

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