Nature子刊 | tRNA修饰协助疟原虫产生青蒿素抗性

导读

由疟原虫引起的疟疾在2022年造成了2.49亿病例和60.8万死亡。青蒿素(ART) 联合疗法是治疗不复杂疟疾的一线疗法。

青蒿素的部分耐药性在东南亚广泛存在，现在已在非洲被发现。研究表明，恶性疟原虫k13的点突变（包括C580Y和R539T）是青蒿素耐药性的主要驱动因素，与患者的寄生虫清除延迟以及体外耐药性相关联。

突变的K13介导的早期环期耐药性的机制尚未完全了解，尽管降低血红蛋白内吞作用在其中发挥着核心作用。突变的K13也与未折叠蛋白反应和泛素-蛋白酶体系统的上调以及应激反应的增强有关。这些证据解释了环期生存的许多方面，但不清楚一部分寄生虫如何进入休眠状态，并在药物停止后重新启动发育的机制。

恶性疟原虫有少量的tRNA isoacceptors来翻译61个密码子的蛋白质。这些tRNA具有高度保守的化学修饰，使它们能够区分编码相同氨基酸的同义密码子。这些修饰特别是在摇摆位34处的修饰可以改变翻译的速率和准确性。

其中一种修饰，mcm5s2U，是通过允许反密码子的第三位进行Watson-Crick碱基互补配对和非Watson-Crick碱基配对来提高Lys、Glu和Gln密码子的翻译。改变tRNA修饰在应激反应、tRNA稳定性、控制细胞生长和疾病发病机制中起关键作用。

生物体可以扩展或限制它们的tRNA解码能力，导致过度或不足表达于mRNA中的同义密码子的解码，这导致增强的翻译延长和选择性的"及时"上调或下调编码偏向蛋白。

虽然tRNA修饰在模式生物中已经被探究，但在恶性疟原虫药物耐药性或应激反应中的作用尚未被探索。

2024年4月17日，美国纽约哥伦比亚大学David A. Fidock团队在Nature Microbiology上发表了一篇题为tRNA modification reprogramming contributes to artemisinin resistance in Plasmodium falciparum“的论文，文章使用基于质谱的tRNA修饰分析和蛋白质组学，结合对条件调控的tRNA硫尿苷化酶PfMnmA的研究，证明了tRNA修饰再编程在青蒿素应激反应中发挥了先前未曾意识到的作用。

文章索引

【标题】tRNA modification reprogramming contributes to artemisinin resistance in Plasmodium falciparum

【发表期刊】Nature Microbiology

【发表日期】2024年4月17日

【作者及团队】美国纽约哥伦比亚大学David A. Fidock团队

【IF】30.96

研究结果

一. ART-R寄生虫中的tRNA修饰重编程发生在给药后

为了了解青蒿素抗性（ART-R）寄生虫对DHA的反应是否导致tRNA修饰的不同，作者使用了一种改进的RSA实验。结果表明，DHA处理后，ART-R寄生虫的tRNA修饰发生全局性降低，而青蒿素敏感（ART-S）寄生虫几乎没有变化。

与此同时，ART-R寄生虫在DHA处理后的tRNA修饰也与ART-S寄生虫有着明显的差异，表明ART-R寄生虫对DHA的反应中存在tRNA修饰的重编程。

二. ART-R寄生虫DHA暴露后蛋白组发生变化

作者比较了抗青蒿素耐药和对青蒿素敏感寄生虫在受到青蒿素后对tRNA修饰的不同调节。结果显示，抗青蒿素耐药寄生虫在处理后的tRNA修饰全面下降，而对青蒿素敏感寄生虫则相对稳定。这表明抗青蒿素耐药寄生虫对药物压力有特异性反应，可能与其复苏和蛋白质翻译有关。

三. ART-R寄生虫的蛋白质组呈现密码子使用偏好

作者研究了ART-R寄生虫在DHA暴露后的蛋白质组变化。他们发现，在DHA处理后，Dd2R539T寄生虫中出现了同义密码子的偏向使用，这表明了tRNA重编程与翻译的关联。

四. 压力应答蛋白质在ART后显示偏向赖氨酸密码子翻译

研究团队检查了DHA后Dd2R539T寄生虫中蛋白质的变化是否由赖氨酸密码子偏向的翻译而非转录调控所致。

通过分析转录组数据，他们确定了一组在DHA处理的ART-R寄生虫中翻译上调的蛋白质，它们的转录水平下调。同时他们还找到了一组翻译下调的蛋白质，它们的转录水平上调。这些发现表明赖氨酸密码子偏向的翻译在ART-R寄生虫的应激反应中可能发挥重要作用。

 五. Pf3D7_1019800（PfMnmA）对寄生虫的发育至关重要

tRNA s2U修饰调控赖氨酸密码子偏好蛋白质水平，与DHA处理后的ART-R寄生虫的tRNA和蛋白质组学观察相关。来自转录组的数据和U34 s2U修饰对转录的影响，敲减PfMnmA导致总mcm5s2U修饰水平下降，但并未完全废除。

六. MnmA敲除导致对ART的抗性增加

预测敲除PfMnmA会降低对ART的敏感性。通过修改RSA实验，作者发现PfMnmA_cKD寄生虫在DHA处理后的存活率明显增加，尤其是在低浓度下。这表明PfMnmA敲除减少了对ART的敏感性，突显了s2U tRNA低修饰在ART应激反应中的重要性。

七. MnmA敲除寄生虫显示抗疟药物敏感性改变

MnmA敲除导致寄生虫对某些抗疟药物的敏感性变化。MnmA敲除使得寄生虫对某些药物的敏感性略微增加，包括靶向的药物和线粒体抑制剂。然而，在其他抗疟药物方面，敲除寄生虫的反应则没有明显变化。

总结

本文研究了ART敏感和耐药寄生虫接受药物后的tRNA修饰、蛋白质组学和密码子使用数据。ART耐药寄生虫表现出tRNA修饰的变化和受到赖氨酸密码子偏向翻译调控的蛋白质，包括PfK13。在ART敏感寄生虫中敲除PfMnmA，增强了对ART的生存能力，表明了tRNA s2U重编程可能在ART耐药性中发挥作用。

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