中山大学伦照荣/赖德华团队Trends in Parasitology综述丨顶复门微孔的历史、功能和形成

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近日，中山大学生命科学学院伦照荣教授和赖德华副教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Parasitology发表了题为“Apicomplexa micropore: history, function and formation”的综述性论文，基于近年来顶复门原虫内吞研究的突破性进展，全面概述了该门的特殊内吞胞器——微孔的发现历史和功能，重点阐释了微孔在疟原虫和弓形虫中的结构和蛋白的异同，并提出了微孔核心蛋白K13、EPS15和UBP1等在微孔形成过程中的装配模型。

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顶复门下的已知成员都是寄生性原虫，其中，疟原虫、弓形虫、艾美尔球虫和隐孢子虫等造成了严重的公共卫生问题和巨大的经济损失。然而，这些寄生虫如何摄取宿主营养物质这一重要科学问题却一直未得到明确解析。

1.微孔的发现历史

顶复门原虫除了具有典型的真核生物胞器（如细胞核、高尔基体、线粒体、内质网）以外，还拥有一些独特的胞器，如顶复体、类锥体和棒状体等。其中一种被称为“微孔”的结构，是由电子致密环（称为EDRs）环绕的细胞质膜内陷结构，通常嵌于内膜复合体（IMC）的孔洞（I型微孔，图1）。该结构首次在疟原虫的子孢子阶段中报道，后来在弓形虫等其他顶复门原虫中发现[1-3]。

▲图1. 在疟原虫的生命周期发现了两种类型的微孔，而在弓形虫中只发现了I型微孔。

2.微孔的结构和类型

在18s-rRNA系统发育树的引导下，该综述重新分析了文献中的微孔形态学数据，揭示了微孔的重要规律性特征（图2）。疟原虫微孔具有可互转的两种形态（图1和2）。红内期疟原虫滋养体为II型微孔，是质膜和纳虫泡膜的双层膜内陷，且虫体缺少内膜复合体。II型微孔的膜内陷深度通常远大于I型微孔，孔径也稍大于I型。同样寄生于红细胞的巴贝斯虫和泰勒虫，它们的微孔也与疟原虫类似，子孢子为I型微孔，滋养体为II型微孔。但由于这两种原虫的纳虫泡膜在其入侵红细胞后很快就溶解了，它们的II型微孔仅有质膜内陷。鉴于II型微孔仅存在于少数几种原虫的红内期阶段[4]，而以弓形虫微孔为代表的I型微孔是顶复门原虫中的更为普遍类型，因此在微孔的研究中更具代表性。

▲图2. 顶复门微孔的形态学数据。

3.微孔的功能

人们基于对疟原虫微孔的观察结果，曾认为II型微孔是内吞活跃型，而I型微孔是休眠型[4]。而随着电子显微镜技术的进步，在弓形虫中的研究表明I型微孔也并非休眠的[5]，微孔的3D重建展示了一个常见的相对静态的微孔（图3A）和正在发生出芽囊泡的微孔（图3B）突显了这两种状态下微孔的显著结构差异。

基于Kelch 13蛋白的分子证据也支持微孔的内吞功能。Kelch 13蛋白是与疟原虫的青蒿素抗药性相关的重要功能蛋白[6]，被发现定位于微孔的电子致密环[7]。新近的研究证实了Kelch 13为微孔蛋白，且其缺失可致弓形虫微孔形态异常，内吞功能受损及细胞膜稳态失衡[5, 8]。

▲图3. 微孔中段的三维重建模型。

4.疟原虫和弓形虫微孔的蛋白质组成及其潜在机制

尽管微孔的发现距今已有60年，但微孔的蛋白组分直到最近才被揭示。除了首个在微孔中被鉴定出蛋白质Kelch 13以外，一系列在疟原虫和弓形虫中的核心微孔蛋白被Bio-ID技术所发现[5, 8]。

其中，Kelch 13可能作为一个适配器起作用，它包含一个Kelch结构域和一个BTB/POZ结构域。含有这些结构域的蛋白质在其他真核生物中通常参与将待降解的蛋白质呈递进行泛素化。Kelch 13的这些结构域可能也通过类似的机制来发挥功能。

第二个蛋白UBP1已知是Kelch 13的关键互作蛋白[5, 7, 8]，且与青蒿素抗药性相关[9]。UBP1含有一个跨膜结构域和一个GTP酶结构域，可水解GTP以释放泛素。这种活性可能通过去泛素化附近蛋白质及其他微孔组分，来调节内吞的作用。

第三个蛋白EPS15可能作为一个蛋白质适配支架。其他真核生物的EPS15具有一个泛素互作基序和一个AP2结合结构域，已被证实能够结合泛素，并发挥调控内吞的作用。顶复门原虫EPS15尽管缺乏上述结构域，但AP2结合实验和泛素化互作组显示仍保留了此两种活性[5, 8]。因此，顶复门原虫EPS15很可能依旧通过泛素互作来调控内吞活性。

第四个蛋白AP2复合体是正常内吞所必须的，由四个亚基（α、β、μ、σ）组成。大多真核生物β亚基与网格蛋白互作，疟原虫也有类似证据[7]。然而，弓形虫网格蛋白被认为不参与内吞作用[7]。β亚基的定位信息[5, 8]指示，与网格蛋白结合的β亚基可能只是另一蛋白AP1的共享亚基，解释了上述矛盾。

5.I型微孔形成模型

基于微孔蛋白组分的荧光显微镜数据和缺陷后的电镜结构，该综述提出了I型微孔形成的关键事件顺序（图4）如下：首先内膜复合体形成一个孔；随即质膜在孔内形成一个标准的杯状内陷；最后形成完整的EDRs结构。主要证据是EPS15、K13和UBP1的敲降分别导致内膜复合体缺少孔且异常内陷，质膜内陷过大或缺乏以及微孔开口过宽等[5, 8]。

▲图4. I型微孔形成模型及在微孔成分缺陷型弓形虫细胞中发现的相应异常

6.总结

近年来，荧光显微镜、电子显微镜和组学研究对微孔的组成、功能和形成过程有了更为深入的解析。但显然，关于这些微孔蛋白组分如何互作以及这两种类型的微孔在生命周期中的阶段发展中如何切换和适应内吞作用仍然存在许多亟待解决的科学问题。作为顶复门原虫的重要的营养摄取通道和药物递送途径，阐明微孔的功能对指导新的化疗策略将是至关重要的。

本文参考文献（上线划动查看）

1 Garnham, P.C., et al. (1961) Electron microsope studies of motile stages of malaria parasites. II. The fine structure of the sporozoite of Laverania (Plasmodium) falcipara. Trans R Soc Trop Med Hyg 55, 98-102

2 Garnham, P.C., et al. (1962) Fine structure of cystic form of Toxoplasma gondii. Br Med J 1, 83-84

3 Scholtyseck, E. and Mehlhorn, H. (1970) Ultrastructural study of characteristic organelles (paired organelles, micronemes, micropores) of sporozoa and related organisms. Z Parasitenkd 34, 97-127

4 Aikawa, M., et al. (1966) The feeding mechanism of avian malarial parasites. J Cell Biol 28, 355-373

5 Wan, W., et al. (2023) The Toxoplasma micropore mediates endocytosis for selective nutrient salvage from host cell compartments. Nat Commun 14, 977

6 Ariey, F., et al. (2014) A molecular marker of artemisinin-resistant Plasmodium falciparum malaria. Nature 505, 50-55

7 Birnbaum, J., et al. (2020) A Kelch13-defined endocytosis pathway mediates artemisinin resistance in malaria parasites. Science 367, 51-59

8 Koreny, L., et al. (2023) Stable endocytic structures navigate the complex pellicle of apicomplexan parasites. Nat Commun 14, 2167

9 Henrici, R.C., et al. (2019) Modification of pfap2μ and pfubp1 markedly reduces ring-stage susceptibility of Plasmodium falciparum to artemisinin in vitro. Antimicrob Agents Chemother 64

论文作者介绍

赖德华  

副教授

赖德华，中山大学生命科学学院副教授，获中山大学动物学博士。任广东省动物学会常务理事，广东省寄生虫学会理事，中国动物学会原生动物学会分会副秘书长。他的工作以人兽共患寄生虫为模型，研究蛋白的功能机制及物种形成和演化规律。获2015年欧盟居里夫人学术奖，2015年原生动物学会青年科技奖和2022年岭南动植物科学技术奖杰出青年奖。主持国家自然科学基金面上项目两项、广东省自然科学杰出青年项目等科研项目，在Nature Communications、Proc. Natl. Acad. Sci. USA、Mol. Biol. Evol.、Nucl Acid Res、Trends in Parasitology等杂志上发表论文和评述70余篇。

相关论文信息

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▌论文标题：

Apicomplexa micropore: history, function, and formation

▌论文网址：

https://www.cell.com/trends/parasit-ology/fulltext/S1471-4922(24)00079-5

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.pt.2024.03.008

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