Эволюция устойчивости к хлорохину у Plasmodium falciparum опосредована предполагаемым переносчиком аминокислот AAT1. - Иньчуаньская компания по отбеливанию кожи, ООО

Природная микробиология (2023)Процитировать эту статью

2422 Доступа

116 Альтметрика

Подробности о метриках

Малярийные паразиты расщепляют гемоглобин хозяина на пептиды и аминокислоты в пищеварительной вакуоли для экспорта в цитоплазму паразита для роста: прерывание этого процесса имеет центральное значение для действия некоторых противомалярийных препаратов. Мутации в переносчике устойчивости к хлорохину (CQ), pfcrt, расположенном в мембране пищеварительной вакуоли, придают устойчивость к CQ у Plasmodium falciparum и, как правило, также влияют на приспособленность паразита. Однако роль других локусов паразита в эволюции устойчивости к CQ неясна. Здесь мы используем комбинацию популяционной геномики, генетических скрещиваний и редактирования генов, чтобы продемонстрировать, что второй вакуолярный транспортер играет ключевую роль как в резистентной, так и в компенсаторной эволюции. Продольный геномный анализ гамбийских паразитов выявил временные признаки отбора предполагаемого варианта S258L переносчика аминокислот (pfaat1), частота которого увеличилась с 0% до 97% в период с 1984 по 2014 год параллельно с вариантом pfcrt1 K76T. Затем генетические скрещивания паразитов выявили локус количественных признаков хромосомы 6, содержащий pfaat1, который был выбран с помощью обработки CQ. Редактирование гена показало, что pfaat1 S258L усиливает устойчивость к CQ, но за счет снижения приспособленности, тогда как pfaat1 F313S, распространенный полиморфизм Юго-Восточной Азии, снижает устойчивость к CQ, восстанавливая при этом приспособленность. Наш анализ выявляет скрытую сложность в эволюции устойчивости к CQ, предполагая, что pfaat1 может лежать в основе региональных различий в динамике эволюции устойчивости и модулировать устойчивость или приспособленность паразитов, манипулируя балансом между транспортом аминокислот и лекарств.

Лекарственная устойчивость микробных патогенов усложняет усилия по борьбе с ними. Поэтому понимание генетической архитектуры и сложности эволюции резистентности имеет решающее значение для мониторинга резистентности и разработки улучшенных стратегий лечения. В случае малярийных паразитов внедрение пяти классов противомалярийных препаратов за последние полвека привело к хорошо изученным жестким и мягким селективным действиям, связанным с лекарственной устойчивостью, при этом как всемирное распространение, так и местное происхождение устойчивости приводят к появлению аллелей лекарственной устойчивости во всем мире. диапазон Plasmodium falciparum1,2,3. Монотерапия хлорохином (CQ) сыграла центральную роль в амбициозном плане по искоренению малярии в прошлом веке. Устойчивость к CQ впервые наблюдалась в 1957 году в Юго-Восточной Азии (ЮВА), а затем, с конца 1970-х годов, распространилась по Африке, что способствовало завершению этой амбициозной глобальной программы по искоренению этого заболевания4.

Устойчивость к CQ интенсивно изучалась. Ген-переносчик устойчивости к CQ (pfcrt, хромосома (chr.) 7) был первоначально идентифицирован с помощью генетического скрещивания P. falciparum, проведенного между устойчивым к CQ паразитом SEA и чувствительным к CQ южноамериканским паразитом, возникшим в организме шимпанзе-хозяина5,6. Двадцать лет интенсивных исследований выявили механистическую роль переносчика устойчивости к хлорохину (pfCRT) в устойчивости к лекарствам7,8, его расположение в мембране пищеварительной вакуоли и его естественную функцию по транспортировке коротких пептидов из пищеварительной вакуоли в цитоплазму9. CQ убивает паразитов, препятствуя перевариванию гемоглобина в пищеварительной вакуоли, предотвращая превращение гема, токсичного побочного продукта переваривания гемоглобина, в инертные кристаллы гемозоина. Паразиты, несущие мутации устойчивости к CQ в pfCRT, транспортируют CQ из пищевой вакуоли, подальше от места действия лекарства7,8. Однонуклеотидный полиморфизм (SNP) pfcrt K76T широко используется в качестве молекулярного маркера устойчивости к CQ10, в то время как дополнительные варианты внутри pfcrt модулируют уровни устойчивости к CQ11 и другим хинолиновым препаратам12 и определяют связанные с этим затраты на приспособленность13. Хотя было показано, что мутации во втором транспортере, расположенном в мембране пищевой вакуоли, транспортере множественной лекарственной устойчивости (pfmdr1), модулируют устойчивость к CQ в некоторых генетических фонах14, роль других генов в эволюции устойчивости к CQ остается неясной. В этой статье мы попытались понять вклад дополнительных локусов паразита в эволюцию устойчивости к CQ, используя комбинацию популяционной геномики, экспериментальных генетических скрещиваний и редактирования генов.

2%), we retained 16,385 biallelic SNP loci from 321 isolates (1984 (134), 1990 (13), 2001 (34), 2008 (75) and 2014 (65)). The pfcrt K76T mutation associated with CQ resistance increased from 0% in 1984 to 88% in 2014. Notably, there was also rapid allele frequency change on chr. 6: the strongest differentiation is seen at an S258L mutation in a putative amino acid transporter, pfaat1 (PF3D7_0629500, chr. 6), which increased during the same time period from 0% to 97% (Fig. 1a). Assuming a generation time (mosquito to mosquito) of 6 months for malaria parasites, these changes were driven by selection coefficients of 0.18 for pfaat1 S258L, and 0.11 for pfcrt K76T (Extended Data Fig. 1). Both pfaat1 S258L and pfcrt K76T mutations were absent in 1984 samples, but present in 1990, suggesting that they arose and spread in a short time window. Both pfaat1 and pfcrt showed similar temporal haplotype structures in Gambia (Extended Data Fig. 2). These were characterized by almost complete replacement of well-differentiated haplotypes at both loci between 1984 and 2014. During this period, we also observed major temporal changes in another known drug resistance locus (pfdhfr) (chr. 4)16 (Fig. 1b). That these rapid changes in allele frequency occur at pfcrt, pfaat1 and pfdhfr, but not elsewhere in the genome (Fig. 1b), provides unambiguous evidence for strong directional selection./p>30 and supported ≥5 reads per allelic variant were retained. SNPs with minor allele frequency <2% were removed from our analysis. We also removed samples with >10% genotypes missing. In the final dataset, there were in total 16,385 biallelic SNP loci and 321 isolates (1984 (134), 1990 (13), 2001 (34), 2008 (75) and 2014 (65)). The complexity of infection (monogenomic or polygenomic) was estimated as the inbreeding coefficient Fws from the merged VCF file using R package Biomix. The short-read sequence data analysed are listed in Supplementary Table 1./p>90% IBD./p>5 were considered as regions of interest./p> 0.90) and >50% of SNP loci genotyped were included for further analysis. A total of 4,051 samples remained after filtration (Supplementary Table 2). Non-biallelic SNPs and heterozygous variant calls were further removed from the dataset. We then extracted genotype data at pfaat1 and pfcrt gene regions and calculated the allele frequencies (Fig. 2a)./p>100× genome coverage per sample./p> 20 (ref. 57). Once a QTL was detected, we calculated an approximate 95% confidence interval using Li's method58 to localize causative genes./p>

90% IBD. Each point depicts an isolate with point colors representing the years from which they were sampled. Square points represent complex infections and circles represent monoclonals. MOI, multiplicity of infection./p>90% of the genomes are IBD, only one representative sample with the highest genotype rate was selected and used for IBD analysis. Sample numbers are shown in each panel. Chromosome boundaries are indicated with grey dashed vertical lines. The location of pfaat1 and pfcrt are indicated with red arrows on top of each panel. The chr 10 peak (West Africa, A) contains pfmspdbl2 associated with decreased sensitivity to halofantrine, mefloquine and lumefantrine69. The chr 8 peak (East Africa and Asia (C-H)) contains dihydropteroate synthase (sulfadoxine resistance)70 and the chr 12 peak (D-F) contains GTP cyclohydrolase I, a compensatory locus for antifolate drugs71. See also analyses by Amambua-Ngwa et al.17, Hendon et al.18, and Carrasquilla et al.19./p>