Perustavaa tietoa malarialoisesta (1999). Genomi, variabiliteettia tuottavat geenituotteet

LÄHDE: Mats Wahlgren¹; Maria Teresa Bejarano¹ Malaria A blueprint of 'bad air' Nature 400, 506-507 (5 August 1999) | doi:10.1038/22880

 

• The 'bad air' agent — mal aria in Italian — was fancied to be the cause of malaria far into the nineteenth century. At that time, Ross and Grassi discovered that mosquitoes transmit these microscopic protozoa. Just as this discovery was a big leap then, the next step today is to discern the parasite's blueprint; the genomic sequence of Plasmodium falciparum. Four hundred million people still suffer from malaria worldwide, and a million children die each year in Africa alone. There is no vaccine, anti-malarial drugs are failing, and many sufferers also develop tumours (such as Burkitt's lymphoma).

Mal aria, paha ilma-käsitettiin malarian syyksi 19. vuosisadalle asti. Sitten Ross et Grassi keksivät, että hyttyset välittivät mikroskooppista loista. Nyt oli tärkeää saada genomi selville Plasmodium falciparumista. 400.000.000 ihmistä kärsii malariasta kautta maailmanja yksistään Afrikassa 1 000.000 lasta kuolee siihen joka vuosi. ROKOTETTA EI OLE. Anti-malarialääkkeet epäonnistuvat ja moni malariaan sairastunut saa myös kasvannaisia, ns. Burkittin lymfooman.

• On page 532of this issue, Bowman et al.¹ unveil the entire sequence of the P. falciparum chromosome 3. These authors have sequenced and analysed a million bases, which, along with the previously sequenced² chromosome 2, now gives us 7% of the total P. falciparum genome (roughly 30 mega base-pairs, Mb). This complex genome comprises 14 chromosomes, each equivalent in size to a complete bacterial genome (0.65 to 3.4 Mb), as well as mitochondrial- and plastid-like sequences. Some 215 protein-coding genes are found on chromosome 3, compared with 209 on chromosome 2, giving an estimated 6,500 genes in the whole genome.

Bowman et al. ovat selvittäneet P. falciparumin kolmannen (3) kromosomi. He selvittivat sen sekvenssin ja analysoivat miljoona emästä, jotka yhdessä aiemmin selvitetyn toisen (2)kromosomin kanssa antaa tietoa 7% :sta P. falciparum-loisen genomia ( 30 mega bp, Mb). Tämä monimutkainen genomi käsittää 14 kromosomia, joista jokainen on kooltaan kuin täydellinen bakteerigenomi ( 0.65- 3.4 Mb) tai mitokondriaaliset ja plastidin kaltaiset sekvenssit. Malaria-loisen 3. kromosomissa on 215 proteiinia koodaavaa geeniä. Sen 2. kromosomissa on 209 tällaista geeniä, ja koko genomi käsittää arviolta 6500 geeniä.

• Perplexing though the P. falciparum genome may seem, a certain organization has been found. Clusters of genes encoding proteins produced at similar stages in the parasite's life cycle, or proteins with similar functions, seem to be grouped in particular chromosomes or chromosomal locations. For example, in chromosome 2 there are many genes encoding proteins with high levels of the amino acid serine, and also genes encoding structures found on the surface of the parasite (merozoites)².

Vaikka P. falciparum- genomi vaikuttaa sekavalta, niin jotain tiettyä järjestäytymistä siinä vaikuttaa olevan havaittavissa. Näyttää olevan samanlaista ryvästynyttä sijoittumista erityisiin kromosomeihin tai kromosomikohtiin silloin, kun geeniryväkset koodaavat parasiitin elinsyklin saman vaiheen proteiinituotteita tai proteiineilla on samanlaista funktiota. Esimerkiksi 2. kromosomissa on geenejä, jotka koodaavat proteiineja, joissa on paljon seriiniaminohappoa(S). Siinä on myös geenejä, jotka koodaavat parasiitin ( merozoiittien) pintastruktuureja.

• Another example of gene clustering is the sexual-stage-specific genes, which are localized to chromosome 5 in a related malaria parasite. And a sequence that may be involved in separating a chromosome from its sister copy during cell division has been identified at roughly the centre of chromosomes 2 and 3. Known as the centromere, it consists of 2 kb of repeated adenine-thymine-rich sequences. However, the core of the P. falciparum centromere is shorter than those in other eukaryotes, and it remains to be shown whether it functions as a centromere. Such comparative analyses of chromosomes, particularly between different malarial parasites (all of which have 14 chromosomes)³, should help in understanding genome structure and evolution.

Eräs toinen esimerkki geenien ryvästymisestä on 5. kromosomi , johon on sijoittunut malarialoisen seksuaalisen jakson geenit. Se sekvenssi, joka saattaa olla toiminnassa osallisena erottamassa solunjakaantumisen aikana sisarkromatideja toisistaan, on suurin piirtein keskuskohtana kromosomeissa 2 ja 3. Se tunnetaan sentromeerinä ja siinä on 2 kb toistuvaa A-T-pitoista jaksoa. Kuitenkin P. falciparum sentromeeri on lyhempi kuin muissa eukaryosyyteissä. Osoittamatta vielä on sekin, jos se toimii kuin sentromeeri. Tällaiset analysoivat kromosomivertailut erityisesti eri malarialajien kesken voisivat auttaa ymmärtämään sen genomista rakennetta ja evoluutiota. Kaikissa niissä on 14 kromosomia.

• The malaria parasite develops inside red blood cells, where it is protected from most mechanisms of the immune system. But the parasite exports some of its own polypeptides to the surface of the red blood cell (Fig. 1), and here it is open to immune attack. To fool the immune system, it regularly exchanges these polypeptides ('antigenic variation')⁴.

Malariaparasiitti kehittyy punasolun sisällä ja sellaisessa sijainnissaan se on suojassa kaikilta immuunijärjestelmän hyökkäyskeinoilta. Mutta loinen tuottaa eräitä omia polypeptidejä punasolun pintaan ja silloin se on altistunut immuunihyökkäykselle. Mutta hämätäkseen immuunijärjestelmää loinen säännön mukaan vaihtelee näitä polypeptidejään ( = antigeenin variaatio)

• The polypeptides are encoded by members of the var (variable) and rif (repeated-interspersed family) gene families, which are found close to the ends (telomeres) of both chromosomes 2 and 3 — each telomere is flanked by one var gene and several members of the rif family.

Polypeptideitä koodaa var- ja rif-geeniperheet, joita sijaitsee 2. ja 3. kromosomien päätyjen (telomeerien) lähellä. Joka telomeerissä on vierekkäin var- geeni ja useita rif- perheen geenejä. var tarkoittaa variable ( vaihteleva) ja rif tarkoittaa repeated -intersperset family, toistuva väleihin sirottautunut perhe.

• So far, nine rif genes (including two members of the stevor sub-family) have been identified in the sub-telomeric regions of chromosome 3, and 17 members (including four stevors) have been found in the same regions of chromosome 2. This gives an estimated 200 rif genes per genome, making it the largest gene family in P. falciparum. Bowman and colleagues' results¹ make the picture even more complicated, as they have discovered more gene families — the clag (cytoadherence-linked asexual gene) and CTP (conserved telomeric protein) families, for example — in the sub-telomeric region of chromosome 3.

Toistaiseksi (1999) tunnetaan yhdeksän rif- geeniä, joihin sisältyy kaksi stevor- alaperheen jäsentä. Nämä sijaitsevat 3. kromosomin sub-telomeerisessä alueessa. 2. kromosomista tunnetaan 17 rif- jäsentä, joista neljä on stevor -alaperheestä. Joten on arviolta 200 rif- geeniä yhdessä genomissa. Tämä onkin P. falciparumin kaikkein suurin geeniperhe. Bowman et al. havaitsivat muitakin geeniperheitä kuten clag-perheen (cytoadherence linked asexual gene) ja CTP-perheen ( konservoitunut telomeeriproteiini) esimerkiksi 3. kromosomin subtelomeerisessa alueessa.

 Figure 1: Red blood cell infected with Plasmodiumfalciparum.

• Antigens expressed at the surface of the blood cell are shown (bottom), as well as the end of chromosome 3 (top), where Bowman et al.¹ have identified the genes that encode these proteins. The antigens are highly variable, particularly those encoded by members of the var and rif gene families (PfEMP1 and rifin, respectively). There are roughly 50 var genes, although only one is expressed at a time^11,12. By contrast, several of the 200 or so rif gene products may be present on the surface of the same red blood cell. The clag gene family is smaller, and it is not yet clear whether the proteins encoded by these genes are expressed at the surface of the red blood cell⁷. However, parasites that lack the clag gene on chromosome 9 adhere poorly to host cells¹⁰. (Yellow boxes depict genes encoding proteins of unknown function.) High resolution image and legend (30K)

KUVA; Kuvassa on malarialoisella infektoitunut punasolun. Antigeenejä näkyy verisolun alapinnalla sekä loisen 3. kromosomin päädyssä. Tämä näkyy kuvan yläosassa. Bowman et al ovat identifioineet geenit, jotka koodaavat näitä proteiineja. Antigeenit ovat mitä vaihtelevaisempia., erityisesti ne, jotka koodautuvat var ja rif- geeniperheitten jäsenillä (PfEMP1 ja rifin vastaavasti) . On noin 50 var- geeniä, vaikka niistä ilmenee vain yksi kerrallaan. Mutta päinvastoin useita niistä 200 rif- geenituotteesta voi esiintyä saman punasolun pinnalla. Clag- geeniperhe on pienempi eikä vielä ollut tiedossa( 1999), jos näiden geenien koodaamia proteiineja esiintyi punasolun pinnalla. Mutta joka tapauksessa ne loiset, joista puuttui 9. kromosomin clag- geeni, kiinnittyivät huonosti isäntäsoluihin. Kuvan keltaisen kohdan geeneillä oli tuntematon proteiininkoodaustehtävä (1999).

• Because several gene families are located close to each other, it is tempting to speculate that they are also co-expressed and co-regulated. The presence, in human sera, of antibodies that recognize the surface of an infected red blood cell has been shown⁵,⁶ to correlate with protection from malaria. Indeed, one polypeptide, PfEMP1 (P. falciparum erythrocyte membrane protein-1), is encoded by the var genes and is thought to be involved in antigenic variation. But the discovery of rif-gene products, rifins⁷,⁸ and stevors⁹, and the reactivity of rifins with human sera⁷, suggests that other molecules may also be involved. The rifins may, in fact, be a major source of antigenic variation at the surface of the red blood cell. Several rifins are sometimes expressed in the same red blood cell, and they also carry modifications that generate tiny variations between them⁷.

Koska usea malaria-loisen geeniperheistä sijaitsee lähellä toisiaan, olisi houkuttelevaa ajatella, että niillä olisi myös samanaikais-expressoitumista ja - säätymistä. Jos ihmisen seerumin vasta-aineet tunnistavat infektoituneen punasolun pinnan, asia korreloi malariaprotektiivisuuteen. Todellakin yksi polypeptidi (PfEMP1, Pf- punasolun kalvoproteiini-1) koodautuu var- geeneillä ja arvellaan sen osallistuvan antigeenivaihteluun. Mutta kun löydettiin rif- geenituotteet, RIFIINIT ja STEVORIT ja rifiinien reaktiivisuus ihmisen seerumin kanssa, arveltiin muillakin molekyyleillä olevan osuutta asiaan. Rifiinit saattavat todellakin olla eräs päälähde antigeenien muunteluun punasolun pinnassa. Toisinaan esiintyy useita rifiinejä samassa punasolussa ja ne myös tekevät modifikaatioita , mitkä kehkeyttävät niiden keskinäisiä variaatioita.

• The PfEMP-1 protein is an adhesive molecule that mediates binding of the parasite-infected red blood cell to endothelial cells and to other red blood cells. The polypeptides encoded by the newly discovered clag gene family seem to have an accessory function in binding¹⁰. The clag genes have an interesting structure, with many exons ('coding' fragments, present in mature RNA) and introns (removed fragments). This structure is similar to that of genes in higher eukaryotes, and, although it is believed to be uncommon in P. falciparum, the structure has been found in 2.3% of the genes identified so far¹. This could even be an underestimate, because the structure is difficult to predict. Bowman et al. do not know whether the clag gene products are expressed on the surface of red blood cells, but other data¹⁰ indicate that they are biologically important.

PfEMP-1-proteiini on adheesiomolekyyli, joka välittää loisen infektoiman punasolun sitoutumista endoteelisoluun ja muihin punasoluihin. Löydetyn clag-geenin koodaamat polypeptidit näyttävät olevan myös lisätekijöinä sitoutumisessa. Clag-geeneillä näyttää olevan mielenkiintoinen rakenne, useita exoneja ( koodausfragmentteja , joita esiintyy kypsässä RNA:ssa) ja introneita, irtofragmentteja. Tällainen rakenne on samanlainen, kuin korkeampien eukaryoottien geeneissä ja vaikka uskotaan tällaisen rakenteen olevan P. falciparumissa epätavallista, niin tähän asti identifioiduissa geeneissä sitä tavataan 2.3%:ssa. Ehkä tämä on aliarvio, koska rakennetta on vaikea edeltä ennustaa. Bowman et al. eivät tienneet, onko clag-geenituotteita punasolujen pinnalla, mutta toisista tiedoista päätellen ne ovat biologisesti tärkeitä.

• Now that we have part of the genome sequence to hand, it is imperative that we use it to identify new drug targets, to understand the pathogenesis of malaria, and to help in constructing vaccines. However, the P. falciparum genome is more complicated than 14 chromosomes — it is plastic, recombinations occur, and it is modified at fertilization in the mosquito's gut. The genome may thereby be expanded, depending on whether the parasite is endemic in the locations studied. For example, if the transmission rate is high, the var and rif gene repertoires are thought to be restructured by frequent fusions of different haploid genomes. The opposite might be true in pockets of more restricted transmission. Self-fertilization has been found to produce genetically distinct parasites as well. So although the sequences of the chromosomes are a great step forward in understanding the parasite and the disease, there is still much to be done. 'Bad air' is still bad news.

Nyt kun on saatu tuntuma genomisekvenssiin, on tätä tietoa käytettävä apuna uusien lääkekohteitten löytämiseen, malarian patogeneesin ymmärtämiseen ja uusien rokotteitten konstruoimiseen. P. falciparum.genomi on kuitenkin monimutkaisempi kuin vain 14 kromosomia, sillä se on plastinen, tekee rekombinaatioita ja modifioituu fertilisaatiossa hyttysen suolistossa. Genomi voi sen takia expansoitua riippuen siitä onko parasiitti endeeminen tutkitussa sijaintikohdassa. Päinvastoin voi tapahtua jossain leviämisen suhteen rajoitetussa miljöössä. Autofertilisaation on havaittu tuottavan myös geneettisesti selvästi erilaisia parasiitteja. Niin vaikka kromosomien sekvenssin selvittely onkin iso edistysaskel parasiitin ja taudin ymmärtämisessä, on vielä paljon tekemistä. Malaria on vieläkin huono uutinen.

Top of page

Artikkelissa mainitut lähteet. References

1. Bowman, S. et al. Nature 400, 532–538 (1999).
2. Gardner, M. J. et al. Science 282, 1126–1132 (1998).
3. Carlton, J. M. -R. , Galinksi, M. R. , Barnwell, J. W. & Dame, J. B. Mol. Biochem. Parasitol. 101, 22–32 (1999).
4. Wahlgren, M. , Fernandez, V. , Chen, Q. , Svärd, S. & Hagblom, P. Cell 96, 603–606 (1999).
5. Carlson, J. et al. Lancet 336, 1457–1460 (1990).
6. Bull, P. C. et al. Nature Med. 4, 358–360 (1998).
7. 7.Fernandez, V., Hommel, M., Chen, Q., Hagblom, P. & Wahlgren, M. J. Exp. Med. (in the press).
8. 8.Keyes, S., Rowe, A., Kriek, N. & Newbold, C. A. Proc. Natl Acad. Sci. USA (submitted).
9. Chen, Q. et al. Mol. Biochem. Parasitol. 97, 161–176 (1999).
10. 10.Holt, D. C. et al. Int. J. Parasitol. (in the press).
11. Chen, Q. et al. Nature 394, 392–395 (1998).
12. Scherf, A. et al. EMBO J. 17, 5418–5426 (1998).

Mats Wahlgren and Maria Teresa Bejarano are at the Microbiology and Tumour Biology Centre, Karolinska Institutet, and the Swedish Institute for Infectious Disease Control, Box 280, S-171 77 Stockholm, Sweden.

1. KOMMENTTI: Tämä tieto on vuoden 1999 huipputasoa malaria plasmodista.