Cell：新见解推翻了50年来关于疟疾进入的旧假设

近半个世纪以来，科学家们已经知道疟疾寄生虫通过一种被称为移动结的环形结构强行进入人类红细胞。

　　

近半个世纪以来，科学家们已经知道，疟疾寄生虫通过一种被称为移动结的环状结构强行进入人类红细胞。没人能弄清楚的是，它到底是做什么的。在任何人能够近距离观察之前，这个结构在60秒的时间内组装好，完成了它的工作，然后消散了。

哥伦比亚大学（Columbia University）的一个研究小组现在终于捕捉到了这个移动的连接点。通过在寄生虫入侵开始时将其冷冻，并将完整的复合体直接从细胞中取出，研究人员首次获得了其三维结构的高分辨率视图。他们所看到的推翻了几十年来关于寄生虫如何进入的假设，而不是一个被动的入口，移动的连接点被证明是一个分子机器，它主动重塑宿主细胞膜，帮助寄生虫强行进入。

今天发表在《细胞》（Cell）杂志上的研究结果详细介绍了该团队如何获得这种结构，然后将其作为蓝图，从零开始设计出一种能够阻止入侵的微型蛋白质——这是一种新型抗疟疾药物概念的证明。

每年仍有约60万人死于疟疾，其中绝大多数是撒哈拉以南非洲地区的儿童，而且这种寄生虫正逐渐对一线药物产生抗药性。这种疾病始于一个单一事件：寄生虫侵入红细胞。在感染者体内，每隔48小时就有数万亿寄生虫同步释放并侵入。这种破裂和再入侵的节律性循环驱动了周期性发烧。疟疾以其相同的移动连接机制而闻名于每个物种和寄生虫生命周期的每个阶段，这使其成为疟疾研究中最受欢迎的目标之一。阻断它，你就从源头上阻止了感染。

“几十年来，我们已经知道这种结构对寄生虫进入细胞至关重要，但不知道它是如何工作的。把它完整地直接从寄生虫中取出让我们最终直接问这个问题。”哥伦比亚大学瓦格洛斯医学院微生物与免疫学系助理教授Chi-Min Ho说。

在行动中捕捉寄生虫

自1978年以来，移动结的连接点一直是一个谜，当时科学家们首次在电子显微镜图像中观察到寄生虫与细胞相遇的地方有一种神秘的增厚。研究人员最终确定了四种寄生虫蛋白，它们组装成连接的基本构建块——被称为AMA1、RON2、RON4和ron5——并证实了它们都是入侵所必需的。但是这种结构到底有什么作用还不得而知，因为它只能存活不到60秒，而且在试管中无法重组。

哥伦比亚团队通过中途阻止入侵解决了这个问题。他们使用一种化合物来阻止寄生虫的内部运动而不阻止连接的形成，在寄生虫进入红细胞的过程中阻止它们，然后提取出完全组装好的AMA1-RON复合物——构建整个连接的基石——并用低温电子显微镜对其进行成像。一种将分子快速冷冻，并用电子束在极高的放大倍率下成像，以揭示其原子形状细节的技术。结果是一个清晰的、三维的积木视图。研究人员注意到，它的形状非常惊人地像一艘帆船，AMA1蛋白在细胞表面上方形成“帆”，而三个RON蛋白形成一个宽“壳”，压在下面的膜上。

根本不是被动的门口

最大的惊喜是在船体上，研究小组在那里发现了线索，最终暗示了移动接头在入侵中所起的作用。紧贴宿主膜的结构表面覆盖着带正电的锚，表面点缀着短螺旋，像楔子一样深入膜内。这两个特征都是众所周知的使细胞膜弯曲和重塑的细胞机器家族的标志。

为了测试这种结构是否真的能使膜变形，研究人员合成了寄生虫的楔形螺旋，并将它们添加到人造膜泡中。膜变薄并穿孔。与此同时，螺旋的减弱版本使气泡完好无损。研究小组得出结论，移动的连接处似乎将寄主膜拉成形状，很可能与寄主的马达协同工作，将寄主推入体内。

该研究的第一作者、何氏实验室的博士候选人Meseret Haile说：“它曾被描绘成一系列钉书钉或点焊，构成了一个被动的环，寄生虫可以通过它来牵引自己。我们看到的是一个重塑宿主细胞膜的机器。”这改变了我们对整个事件的看法。

新药的蓝图

除了最终揭示了移动的连接点如何允许寄生虫入侵外，该结构还为研究小组提供了一幅精确的地图，显示了AMA1在哪里以及如何抓住它的伴侣蛋白，这种联系将整个连接点连接在一起。利用机器学习驱动的蛋白质设计工具和他们的结构信息，研究人员设计了一种微型蛋白质来打破这种束缚。他们的最佳候选药物以剂量依赖的方式阻止寄生虫入侵红细胞，而不影响已经感染的细胞，这证实了它是通过阻止寄生虫进入而不是通过一般毒性来起作用的。

这种设计出来的迷你蛋白质是概念的首次验证，而不是药物，在进行人体试验之前，还需要大量的改进。但它展示了一种令人兴奋的新策略：使用接近天然的结构来设计入侵阻断微型蛋白，以对抗长期以来令传统方法受挫的目标。同样的结构还阐明了几种主要的抗疟疾抗体是如何起作用的，这些信息可以反馈到疫苗设计中。

“一旦我们能够看到目标的真实情况，设计一些东西来阻止它就成了一个容易解决的问题，”实验室的医学博士研究生Daphne Kaxiras说，她领导了抑制剂的设计。

该团队的方法是直接从生物体中捕获脆弱复合物，并利用它们来指导设计，这种方法可能适用于许多其他寄生虫和病原体，这些寄生虫和病原体是出了名的难以研究的。