疟疾寄生虫的进化过程

了解疟疾寄生虫在人被受感染的蚊子叮咬后如何进化是非常困难的。病人的血液中可能有数十亿个寄生虫个体，传统的基因测序技术无法识别进化的原材料:新的突变。

德克萨斯生物医学研究所宿主-病原体相互作用项目的联合负责人、助理教授伊恩·奇斯曼博士说:“如果你想了解寄生虫是否彼此相关，它们是否都来自一只蚊子或多次蚊子叮咬，以及感染中出现了什么新的突变，那么你必须把它降到个人基因组水平。”

得益于先进技术的结合，奇斯曼和他的合作者现在能够对感染患者血液中发现的单个寄生虫的基因组进行测序。值得注意的是，他们现在即使在感染负担很低的情况下也可以这样做，这可能发生在无症状感染期间。他们在本月的《细胞宿主与微生物》杂志上描述了他们的方法。获得这种令人难以置信的疟原虫遗传和进化的详细视图，有望为研究人员和制药公司提供弹药，以开发更有效的治疗方法、疫苗或疗法。

疟疾每年感染2亿多人，2019年造成40多万人死亡，其中大多数是幼儿。在感染人类的五种疟疾寄生虫中，有两种传播最广泛:恶性疟原虫是最致命的;间日疟原虫是疟疾感染复发的主要原因，因为间日疟原虫可以在肝脏中休眠，之后重新出现。

“我们真的很高兴能了解这种休眠的肝脏阶段如何影响间日疟原虫感染的遗传变异和进化，”共同第一篇论文的作者Aliou Dia博士说，他是Cheeseman实验室的博士后研究员，现在就职于马里兰大学医学院。

挑战在于，当间日疟原虫出现时，它只感染非常年轻的红细胞，所以血液中很少有寄生虫。分析如此低的感染水平，在微生物学上就相当于大海捞针。

科学家们从红细胞开始研究，红细胞在感染疟原虫后会有轻微的磁性。他们使用高功率磁铁将受感染的红细胞与未受感染的细胞分离。随后，受感染的细胞通过一种名为流式细胞仪的机器运行，该机器使用激光和荧光标记来检测是否确实存在寄生虫DNA。带有寄生虫DNA的细胞被一个接一个地扔进测试井，最终通过基因测序机解码每个寄生虫的基因组。

单细胞测序使科学家能够精确地比较单个寄生虫基因组，以确定它们之间的相关性。他们还可以深入挖掘并精确定位遗传密码中的单个差异——比如A变成了T——看看寄生虫感染患者后发生了什么。

“我们预计这些全新的突变会随机分布在整个基因组中，”奇斯曼说。“相反，我们发现它们经常针对控制疟疾转录的基因家族。”

但这并不是研究结果唯一值得注意的地方。真正令Cheeseman兴奋的是，当研究小组比较间日疟原虫和恶性疟原虫的单细胞测序数据时，相同的转录基因家族包含了这两个物种的大多数新突变。

他说:“泰国和马拉维是世界上两个不同地区的两种不同种类的疟疾。”“当我们看到同样的事情在不同物种中独立发生时，这就是趋同进化的一个例子。”

换句话说，相似的过程可能在这两个物种中形成了相似的突变模式，尽管它们最后的共同祖先是在数百万年前。

研究小组还不知道这些突变对这种寄生虫有什么影响，以及它在人类宿主体内持续存在并造成损害的能力。突变可能对生存至关重要，或者像耐药性，或者可能表明这些基因不重要。

“我们不知道这些突变在做什么，”奇斯曼说。“但事实上，他们瞄准的是寄生虫生命周期中相当基本的一部分，这很有趣，值得进行大量的后续研究。”

参考
Dia A等。单基因组测序揭示了人类疟疾寄生虫在宿主内的进化。细胞宿主微生物．29卷，第10期，p1496-1506。E3, 2021年10月13日doi:10.1016 / j.chom.2021.08.009

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