寻找疟原虫耐药基因

2013-7-09 09:53 来源: 生物探索
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  对疟原虫(malaria parasites)进行的全基因组测序研究(Whole-genome sequencing)发现了与疟原虫对青蒿素类抗疟药(artemisinin-based drug)耐药机制有关的基因组位点。这一发现有助于科学家们发现疟原虫的耐药机制,以及这种耐药机制的传播特点。

  虽然疟原虫每年在全球依旧会导致一百多万人死亡,但是近年来报告的疟疾患病人数的确是明显少多了。有一部分原因可能是因为近年来对疟原虫的传播宿主 ——蚊子(mosquito)的防控工作有了极大的改善。但是很多专家却不这么认为,他们相信这实际上是青蒿素类抗疟药联合疗法(artemisinin-based combination therapies, ACT)的功劳。由于青蒿素类抗疟药联合疗法是目前唯一的一种能够有效治疗多重耐药疟原虫感染(multi-drug-resistant malaria infections)的抗疟疗法,所以在柬埔寨西部地区(western Cambodia)发现的耐青蒿素类抗疟药疟疾引起了一场大恐慌,被国际疟原虫学界(international malaria community)看作是一场潜在的大灾难,于是科学家们开始努力的寻找疟原虫耐青蒿素基因。最近Miotto等人在《自然 遗传学》杂志(Nature Genetics)上发表了一篇文章,介绍了他们用全基因组测序方法对825个采自东南亚和西非地区的恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)标本进行的研究工作,他们的目标就是找到这种常常导致人类疟疾的病原体的分子耐药机制。

  由于目前市面上还没有疟疾疫苗,所以抗疟药就成了我们对抗疟疾的唯一手段。在ACT方案使用的药物里,最主要的活性成份就是青蒿素这种最初提取自中国传统中药——青蒿(sweet wormwood)的衍生物。虽然用ACT治疗疟疾的疗效非常明显,但是具体的作用机制还不是非常清楚,而且疟原虫对青蒿素的耐药机制似乎也与它们对其他抗疟药的耐药机制有所不同。而且由于现在缺少一种敏感的实验室检测手段,所以也很难对这种耐药性进行一个定量的评判。现在一般采用的评判标准都是看用药(只使用青蒿素这一种抗疟药)多久之后才能彻底将患者体内的疟原虫杀灭干净,不过其间患者自身的免疫反应也能够起到一定的灭虫作用。

  另外,柬埔寨西部地区也是在几十年前发现疟原虫对氯奎(chloroquine)和乙胺嘧啶磺胺(sulfadoxine–pyrimeth -amine),即息疟定等抗疟药耐药的地区,这种耐药的疟原虫后来也传播到了世界各地,因为这些抗疟药失效导致了数百万人死亡。由于担心悲剧再度上演,所以世界卫生组织(World Health Organization)和遏制疟疾伙伴关系组织(Roll Back Malaria Partnership)的其他成员在2011年启动了全球防止耐青蒿素疟原虫传播项目(Global Plan for Artemisinin Resistance Containment,GPARC),详见go.nature.com/jgcpzc。

  GPARC项目的主要目标之一就是发现疟原虫耐青蒿素的分子耐药机制,但是这个目标实现起来却有一定的难度,因为正如我们前面介绍的那样,现在很难在实验室里明确地、可重复地界定“耐药性”这个特性。所以科研人员们只能依靠遗传流行病学(genetic epidemiology),在疟原虫的基因组当中寻找可能与耐药性有关的蛛丝马迹。在这些研究工作中,科学家们同时对采集自有耐药疟原虫肆虐,和没有耐药疟原虫肆虐地区疟疾患者的疟原虫DNA标本进行了分析。利用疟原虫会在蚊子体内进行有性繁殖(sexual crosses)的特点,以及传统的基因分型技术(genotyping techniques),和最近新发展起来的全基因组测序技术,科学家们终于在疟原虫的基因组中发现了与对青蒿素耐药特性相关的遗传位点,如图1所示。然后,科学家们对存在于这些位点里的基因进行了功能研究,以确定它们是不是与耐药性有关。


图1 疟原虫耐药基因。Miotto等人在采自对青蒿素耐药疟疾患者的疟原虫DNA标本中发现了大段的DNA序列,他们将其称作单倍体(haplotype)序列,他们发现这些序列里含有一些耐药疟原虫共有的独特DNA片段,如图中紫色区域所示。虽然这些片段在不耐药的疟原虫DNA标本里也能找到,但是它们在染色体上出现的位置有所不同。所以在耐药疟原虫DNA标本紫色区域里出现的基因可能就是疟原虫耐药基因,应该首先对这些基因进行功能学研究。

  Miotto等人使用这些技术,在一个范围非常小的地区(geographic area)内就发现了3个在遗传学上互不相同的耐药疟原虫种群,这说明耐药性突变至少独立的出现了3次。除此之外,Miotto他们还在疟原虫基因组里发现了一个与能够预示选择压力(selection pressure)有关的位点,这些位点可能也和疟原虫对青蒿素的耐药特性有关。其中有一个位点就位于第13号染色体上,之前的研究工作也曾经发现过这个位点。位于这些位点里的基因,以及在另外一些研究工作中发现的其他一些与耐药性高度相关的基因都是开展后续功能试验的好材料。Miotto等人获得的测序结果全都可以在网上免费下载,这对于整个疟原虫研究学界都是一项不小的贡献。

  如果没有后续的功能学研究来确定这些基因是不是真正的耐药基因,我们也无法判断究竟是那几次独立的突变导致疟原虫产生了耐药性,还是13号染色体上的那个遗传区域才是真正的“主犯”。Miotto等人认为还应该继续进行更大规模的研究,但是在比较明确的证据,比如拷贝数变异等突变信息出现之前,开展更大规模的测序研究帮助也不会太大,尤其是在某一个遗传位点与另外一个位点关系密切的情况下更是如此。为了确定耐药基因,我们有必要利用杂交、等位基因交换(allelic exchange)或者遗传工程学技术将这些候补基因转入对青蒿素敏感的疟原虫体内进行研究。不过目前用这些技术对最近发现的几十个候选基因在恶性疟原虫里进行研究还比较困难。可是使用锌指核酶(zinc-finger-nuclease technology)等新兴技术可能会有所突破。另外,开发简便易行的、青蒿素耐药体外检测手段也是一条发展方向。

  Miotto等人开展的工作不仅对于寻找疟原虫的耐药机制是一大贡献,同时对于研究世界范围内恶性疟原虫的遗传多样性问题也起到了不小的帮助。此外,他们的研究工作还凸显了近年来国际社会对抗疟疾的公共卫生工作成果,这也反映出了遏制疟疾伙伴关系组织和比尔与梅林达盖茨基金会(Bill & Melinda Gates Foundation)等国际组织增加科研资助力度的成效。这种对采自世界各地的数百份疟原虫标本进行的多中心的国际研究工作向我们展示了国际疟原虫研究目前所处的水平,也展现了在目前大力削减科研投入的国际大背景下,遏制疟疾伙伴关系组织和比尔与梅林达盖茨基金会等资助组织对人类健康做出的贡献,不过这也预示着国际社会需要进一步加大对疟原虫生物学基础研究的科研资助力度,因为只有这样才能对通过大量基因组研究数据得出的结论进行功能验证。

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