Die sexuelle Differenzierung bei menschlichen Malariaparasiten wird durch die Konkurrenz zwischen Phospholipidstoffwechsel und Histonmethylierung reguliert

Nature Microbiology (2023)Diesen Artikel zitieren

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Bei Plasmodium falciparum, dem am weitesten verbreiteten und virulentesten Malariaparasiten, der Menschen infiziert, hängt die Persistenz von der kontinuierlichen asexuellen Replikation in roten Blutkörperchen ab, während die Übertragung auf ihren Mückenvektor die Differenzierung asexueller Parasiten im Blutstadium in nicht replizierende Gametozyten erfordert. Diese Entscheidung wird durch stochastische Derepression eines durch Heterochromatin zum Schweigen gebrachten Locus gesteuert, der für AP2-G, den Haupttranskriptionsfaktor der sexuellen Differenzierung, kodiert. Es wurde gezeigt, dass die Häufigkeit der ap2-g-Derepression auf extrazelluläre Phospholipidvorläufer reagiert, der Mechanismus, der diese Metaboliten mit der epigenetischen Regulation von ap2-g verknüpft, war jedoch unbekannt. Durch eine Kombination aus Molekulargenetik, Metabolomik und Chromatinprofilierung zeigen wir, dass diese Reaktion durch metabolische Konkurrenz um den Methyldonor S-Adenosylmethionin zwischen Histonmethyltransferasen und Phosphoethanolaminmethyltransferase, einem entscheidenden Enzym im Weg des Parasiten für die De-novo-Phosphatidylcholinsynthese, vermittelt wird. Wenn Phosphatidylcholin-Vorläufer knapp sind, beeinträchtigt ein erhöhter Verbrauch von SAM für die De-novo-Phosphatidylcholin-Synthese die Aufrechterhaltung der Histonmethylierung, die für die Stummschaltung von ap2-g verantwortlich ist, was die Häufigkeit von Derepression und sexueller Differenzierung erhöht. Dies stellt einen wichtigen mechanistischen Zusammenhang dar, der erklärt, wie LysoPC und die Verfügbarkeit von Cholin den Chromatinstatus des ap2-g-Locus verändern können, der die sexuelle Differenzierung steuert.

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Wir danken J. Dvorin (Boston Childrens Hospital) für die Bereitstellung von Verbindung 1, dem Genomikkern von Weill Cornell Medicine für technische Unterstützung und der Eukaryotic Pathogen, Vector and Host Informatics Resource (VEuPathDB) für die Bereitstellung wesentlicher bioinformatischer Ressourcen. Diese Arbeit wurde durch Mittel von Weill Cornell Medicine (BFCK), NIH 1R01 AI141965 (BFCK), NIH 1R01 AI138499 (KWD), NIH 5F31AI136405-03 (CTH), NIH R25 AI140472 (KYR) und der Fundação para a Ciência e Tecnologia unterstützt (MMM, DRIVER-LISBOA-01-0145-FEDER-030751) und „laCaixa“-Stiftung (MMM, gemäß Vereinbarung HR17/52150010).

Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie, Weill Cornell Medicine, New York, NY, USA

Chantal T. Harris, Xinran Tong, Riward Campelo, Leen N. Vanheer, Kirk W. Deitsch, Kyu Y. Rhee und Björn FC Kafsack

Graduiertenprogramm für Immunologie und mikrobielle Pathogenese, Weill Cornell Medicine, New York, NY, USA

Chantal T. Harris

BCMB Allied Graduate Program, Weill Cornell Medicine, New York, NY, USA

Xinran Tong

Institut für Molekulare Medizin João Lobo Antunes, Medizinische Fakultät der Universität Lissabon, Lissabon, Portugal

Inês M. Marreiros, Vanessa A. Zuzarte-Luís und Maria M. Mota

Abel Salazar Institute of Biomedical Sciences (ICBAS), Universität Porto, Porto, Portugal

Inês M. Marreiros

Abteilung für Infektionskrankheiten, Weill Department of Medicine, Weill Cornell Medicine, New York, NY, USA

Navid Nahiyaan & Kyu Y. Rhee

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BFCK, KWD und MMM konzipierten das Projekt; BFCK, CTH und MMM haben die Methodik entwickelt; CTH, XT, RC, LNV, NN, VAZ-L. und IMM führte die Untersuchungen durch; CTH, BFCK und XT entwickelten Software und führten formale Analysen und Datenkuratierung durch; CTH hat den ursprünglichen Entwurf geschrieben; BFCK, CTH und MMM haben das Manuskript überprüft und bearbeitet; CTH und BFCK führten eine Visualisierung durch; BFCK, KYR und MMM betreuten das Projekt; BFCK verwaltete das Projekt; BFCK, KWD und MMM haben Fördermittel eingeworben.

Korrespondenz mit Björn FC Kafsack.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Microbiology dankt David Baker, Malcolm McConville und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

(a) Molekulare Strukturen der zentralen Metaboliten in dieser Studie. Die übertragenen Methylgruppen sind rot hervorgehoben und die Namen der an ihrer gegenseitigen Umwandlung beteiligten Enzyme sind kursiv geschrieben. (b) Parasiten wurden in Medien kultiviert, die mit steigenden Konzentrationen von LysoPC versetzt waren. Balkendiagramme zeigen die mittlere intrazelluläre Metabolitenhäufigkeit pro tausend Parasiten ± Standardabweichung (n = 5 biologisch unabhängige Proben). Kursiv geschriebene Zahlen sind p-Werte, die auf zweiseitigen ANOVA-Tests basieren.

Die Balken zeigen die mittlere sexuelle Bindung (links) und die ap2-g-Transkripthäufigkeit (rechts) bei Schizonten im Verhältnis zu Bedingungen mit reichlich Cholin und Methionin (+cho), wenn Parasiten während des Bindungszyklus verschiedenen Wachstumsmedien ausgesetzt wurden. Fehlerbalken und p-Werte geben den Standardfehler des Mittelwerts und die Signifikanz des Mittelwertunterschieds im Vergleich zu denen unter Bedingungen reichlich vorhandenen Cholins bzw. Methionins (+cho) an. (n = 4–5 biologisch unabhängige Proben).

LC-MS-Quantifizierung der angezeigten Metaboliten. Infizierte und nicht infizierte Kulturen wurden in Gegenwart oder Abwesenheit von 20 μM LysoPC (a) oder 420 μM Cholin (b, c) für ~36 hpi während des Verpflichtungszyklus kultiviert. Anschließend wurden infizierte (iRBC) und nicht infizierte (uRBC) Erythrozyten extrahiert und die Metabolitenhäufigkeit mittels LC-MS quantifiziert. (c) Häufigkeiten von vier zusätzlichen Metaboliten, die nichts mit dieser Studie zu tun haben, sind enthalten, um die Reproduzierbarkeit der Metabolitenextraktion und -quantifizierung durch LC-MS zu veranschaulichen. Balkendiagramme zeigen die mittlere intrazelluläre Metabolitenhäufigkeit pro tausend Zellen ± Standardabweichung (n = 4 biologisch unabhängige Proben). Kursiv geschriebene Zahlen sind p-Werte, die auf zweiseitigen gepaarten t-Tests basieren.

(a) Erzeugung von PMT-glmS-Knockdown-Parasiten durch selektionsgebundene Integration. (b) Validierungs-PCR, die die Markierung des endogenen PMT-Locus zeigt.

Die Entfernung von Methionin (blaue Raute) oder die Ergänzung mit Cholin (rote Kreise) hatte im Vergleich zum Wachstum in Standard-Malariamedium (grüne Quadrate) keine erkennbare Auswirkung auf das Wachstum von NF54. n = 1.

(a) Erzeugung von pfsams-glmS-Knockdown-Parasiten durch selektionsgebundene Integration. (b) PCR-Validierung, die die Markierung des endogenen Pfsams-Locus nachweist.

(a) Der endogene pbsams-Locus im P. berghei ANKA-Stammhintergrund wurde durch homologe Integration modifiziert, um die ecDHFR-Destabilisierungsdomäne (DD) und den Hämagglutinin-Epitop-Tag (HA) am 3'-Ende der pbsams-Kodierungssequenz hinzuzufügen. Die gleichzeitige Integration einer hDHFR-Expressionskassette ermöglicht die Auswahl von Integranten. (b) PCR-Validierung der erfolgreichen Markierung bei PbSAMS-DD-HA-Parasiten. (c) Erfolgreicher Abbau von PbSAMS nach Entfernung von Trimethoprim (TMP) aus dem Trinkwasser bei Mäusen, die mit pbsams-DD-Parasiten infiziert sind. Parasitenlysate wurden auf die Häufigkeit von PbSAMS-DD mit Antikörpern gegen den HA-Epitop-Tag und PbBIP untersucht, das als Ladungskontrolle diente und zur Normalisierung verwendet wurde.

Quelldaten

Abdeckung von H3K4me3 (blau) und H3K9me3 (rot) in repräsentativen Regionen auf Chromosom 6, die Euchromatin und entweder subtelomeres Heterochromatin (a) oder eine Heterochromatininsel (b) unter Bedingungen mit niedrigem SAM (obere Spur jeder Farbe) und hohem SAM (Mitte) umfassen Spur jeder Farbe) und der relative Unterschied in der Deckung (dritte Spur jeder Farbe). Heterochromatin-Regionen sind mit einem roten Balken markiert. Die Abdeckung wurde unter Verwendung von macs2 als Signal pro Million Lesevorgänge (SPRM) normalisiert und war repräsentativ für n = 2 biologisch unabhängige Proben.

Die kursiv gedruckten Zahlen sind die p-Werte, die auf einem zweiseitigen T-Test für den +/- Cholin-Vergleich und einer ANOVA für die DZA-Dosis-Wirkung (n = 4) basieren. Die kursiv gedruckten Zahlen sind die p-Werte basierend auf einem zweiseitigen t-Test für den +/− Cholin-Vergleich und einer zweiseitigen ANOVA für die DZA-Dosisreaktion (n = 4 biologisch unabhängige Proben). Balken zeigen die Mittelwerte relativ zur Referenzbedingung ± Standardabweichung

Unverarbeitete Western Blots.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Harris, CT, Tong, X., Campelo, R. et al. Die sexuelle Differenzierung bei menschlichen Malariaparasiten wird durch die Konkurrenz zwischen Phospholipidstoffwechsel und Histonmethylierung reguliert. Nat Microbiol (2023). https://doi.org/10.1038/s41564-023-01396-w

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Eingegangen: 31. Mai 2022

Angenommen: 25. April 2023

Veröffentlicht: 05. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-023-01396-w

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