代谢-染色质轴通过调控核糖体RNA差异转录促进人类疟原虫的生存与传播

《Nature Communications》：A metabolism-chromatin axis promotes differential ribosomal RNA transcription in the human malaria parasite

本研究揭示了恶性疟原虫在人和蚊两个宿主间转换时，通过有氧糖酵解维持的高NAD+/NAM比例，激活Sir2a组蛋白去乙酰化酶，特异性沉默蚊期rDNA的机制。该代谢-染色质轴精准调控核糖体异质性，为理解寄生虫适应性及开发新疗法提供新视角。

　　

在自然界中，生物体为了适应不同的环境条件，演化出了精妙的调控机制。对于引起最严重人类疟疾的恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）而言，其生命周期必须在人和蚊两个截然不同的宿主环境中完成，这要求寄生虫具备快速调整基因表达的能力。其中，核糖体RNA（rRNA）的转录调控尤为关键，因为核糖体是蛋白质合成的工厂，而其生物合成消耗了细胞大部分能量。

恶性疟原虫的基因组有一个非常奇特的特点：它不像大多数真核生物那样拥有成串重复的rDNA基因，而是只有5个（后来本研究发现了7个）分散在不同染色体上的rDNA基因。更令人惊讶的是，这些rDNA基因并非全部同时表达。在人类宿主体内，寄生虫只表达A型rRNA，而S型rRNA则保持沉默状态；当寄生虫传播到蚊子体内后，S型rRNA才会被激活表达。这种不同rRNA类型之间的切换意味着，在同一个寄生虫细胞内，可能会组装出由不同rRNA组成的、功能特化的核糖体。然而，寄生虫如何在人类宿主体内特异性沉默S型rDNA，以及在宿主转换过程中又如何精确地去抑制这些基因，一直是寄生虫生物学中未解之谜。

此前的研究发现，降低培养温度（从37℃降至26℃或32℃）能够在人类血液阶段的寄生虫中激活沉默的S型rDNA，但这背后的分子机制并不清楚。葡萄糖饥饿或组蛋白去乙酰化酶活性的破坏也能引起类似效应，暗示代谢和表观遗传调控可能参与其中。为了揭示这一精确调控机制的内在原理，来自法国巴斯德研究所等机构的研究人员在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了他们的最新研究成果。

研究人员综合运用了多种前沿技术手段来探索这一科学问题。他们通过对寄生虫整个生命周期（包括人类血液中的无性繁殖阶段、配子体，以及蚊子体内的卵囊和子孢子）进行总RNA测序，精确量化了不同rRNA类型的表达动态。为了准确区分高度相似的A型和S型rRNA序列，他们创造性地对参考基因组进行了掩蔽处理。染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）被用来分析活跃和沉默rDNA位点的组蛋白修饰特征（如H3K9ac）以及异染色质蛋白1（HP1）的分布。此外，他们还利用了已发表的微量染色体构象捕获（Micro-C）数据来研究细胞核内rDNA位点之间的三维空间互作。为了解析代谢状态的作用，研究人员进行了靶向代谢组学分析，定量检测了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）和烟酰胺（NAM）的水平。通过可诱导的基因敲低系统（glmS核酶系统），他们分别降低了烟酰胺酶（Nico）和乳酸脱氢酶1（LDH1）的表达，以研究这些代谢酶对NAD⁺/NAM比例及rDNA转录的影响。对于关键的表观遗传调控因子Sir2a，研究人员采用了一种创新的蛋白质-DNA邻近标记技术（madID），将其与DNA甲基转移酶融合，从而在纳米孔测序中直接读取Sir2a在基因组上的结合位点。最后，通过 spike-in ChIP-seq 技术，他们精确定量了Sir2a基因敲除（KO）后组蛋白乙酰化水平的变化。

rDNA在恶性疟原虫生命周期中的转录

研究人员首先绘制了不同rRNA类型在完整生命周期中的表达图谱。结果证实，在人类血液阶段（无性繁殖期和配子体），A型rRNA是唯一表达的rRNA类型。而在蚊子中肠的卵囊阶段，S型rRNA被激活，与A型rRNA共同表达，同时他们还发现并鉴定了一类新的、特异性在卵囊阶段微量表达的O型rRNA。至此，基因组中rDNA位点的总数达到7个。

无性阶段的表观遗传状态和染色质组织

通过分析活跃rDNA位点（A2）的表观遗传特征，研究人员发现其上游区域具有开放的染色质（ATAC-seq信号）和丰富的组蛋白H3K9乙酰化（H3K9ac）修饰。相反，沉默的S型rDNA位点（S1和S2）则被异染色质蛋白HP1所覆盖，但其上游区域存在小的可及性区域，并且缺乏H3K9ac信号。三维基因组学分析（Micro-C）显示，两个活跃的A型rDNA位点尽管位于不同染色体上，却在空间上紧密互作，形成了一个转录活跃的区室。此外，他们通过蛋白质序列比对，鉴定出两个可能的RNA聚合酶I（Pol I）转录因子HMGB1和HMGB2，并证实它们特异性地结合在活跃的A型rDNA位点，而在沉默位点则没有结合。

rDNA沉默对NAD⁺/NAM水平的变化敏感

为了模拟宿主转换过程中的rDNA去抑制，研究人员将寄生虫培养在32℃。他们证实，S型rRNA确实被特异性激活，并且Pol I转录因子HMGB1被招募到了S型rDNA位点的上游区域。令人意外的是，信使RNA（mRNA）测序分析显示，在32℃下，参与NAD⁺回收途径的烟酰胺酶（Nico）表达显著下调。代谢组学分析证实，32℃培养的寄生虫其NAD⁺/NAM比例确实显著降低。为了直接验证NAD⁺/NAM比例的作用，研究人员敲低了Nico的表达，这同样导致了NAD⁺/NAM比例的下降，并伴随着S型rDNA的去抑制。这表明，低温并非直接调控rDNA转录，而是通过引起代谢状态（NAD⁺/NAM比例）的改变间接起效。

有氧糖酵解的中断使沉默的rDNA基因去抑制

在人类血液阶段，恶性疟原虫完全依赖有氧糖酵解（即糖酵解后丙酮酸发酵生成乳酸，尽管有氧气存在）来产能，这一过程通过乳酸脱氢酶1（LDH1）再生NAD⁺。而当寄生虫转换到以氧化磷酸化为主的蚊子阶段时，NAD⁺的消耗增加。研究人员推测，有氧糖酵解的维持对高NAD⁺水平至关重要。果然，敲低LDH1不仅导致寄生虫生长停滞，还显著降低了NAD⁺/NAM比例，并同样引起了S型rDNA的去抑制。这进一步证实，rDNA沉默依赖于有氧糖酵解所维持的高NAD⁺水平。

NAD⁺依赖的HDAC Sir2a是rDNA沉默所必需的

NAD⁺是III类组蛋白去乙酰化酶sirtuin的辅因子。恶性疟原虫编码两个sirtuin同源蛋白，Sir2a和Sir2b。其中Sir2a的活性既依赖NAD⁺，又受其产物NAM的抑制，因此对细胞内的NAD⁺/NAM比例非常敏感。研究人员发现，Sir2a基因敲除（Sir2a-KO）会导致S型rRNA的强烈去抑制。组蛋白质谱分析证实，Sir2a-KO后，多种组蛋白乙酰化修饰（H3K9ac， H3K14ac， H4K12ac）水平显著升高，证明Sir2a在体内确实具有组蛋白去乙酰化酶活性。为了在全基因组范围内绘制Sir2a的结合图谱，研究人员采用了madID邻近标记技术。结果显示，Sir2a在全基因组范围内优先结合在常染色质区域，并在沉默的S型rDNA位点上游显示出极高的占有率，远高于活跃的A型位点。定量ChIP-seq分析进一步表明，在Sir2a-KO后，沉默rDNA位点上游区域的组蛋白乙酰化水平急剧上升。这些数据表明，Sir2a通过结合在沉默rDNA位点的上游区域，持续地去乙酰化组蛋白，从而维持其转录抑制状态。

本研究最终得出结论：恶性疟原虫通过一个“代谢-染色质轴”来精准调控不同rDNA位点的表达。在人类宿主体内，寄生虫依赖有氧糖酵解产能，该途径通过LDH1再生NAD⁺，维持了较高的NAD⁺/NAM比例。高水平的NAD⁺激活了Sir2a的组蛋白去乙酰化酶活性，Sir2a进而结合在S型rDNA位点的上游调控区，通过去除组蛋白乙酰化修饰，与HP1介导的异染色质化协同作用，确保这些蚊期rDNA保持沉默状态。当寄生虫传播至蚊子体内，其能量代谢方式从有氧糖酵解转换为氧化磷酸化，导致NAD⁺消耗增加，NAD⁺/NAM比例下降。这降低了Sir2a的活性，使得S型rDNA位点上游的组蛋白乙酰化水平升高，染色质变得开放，进而招募Pol I转录机器（如HMGB1/2），最终启动S型rRNA的转录。

这项研究的意义在于，它将寄生虫生命周期中两个最显著的变化——核心能量代谢途径的重编程和核糖体RNA的差异转录——直接联系了起来。这种巧妙的耦合机制使得寄生虫无需进化出独立的调控系统，便能根据其所处的代谢状态（即宿主环境）精确控制核糖体的异质性，从而优化其适应能力。这不仅深化了我们对单细胞真核生物基因表达调控复杂性的理解，也为针对寄生虫特异性表观遗传和代谢通路开发新型抗疟策略提供了新的理论依据和潜在的药物靶点。