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题目：A transcriptional switch controls sex determination in Plasmodium falciparum
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年12月7日
通讯作者单位：蒙彼利埃大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05509-z
主要内容：
原生动物寄生虫恶性疟原虫是绝大多数人类疟疾病例和死亡的原因。它有一个复杂的生命周期，只涉及两个发育决策点，它们发生在生活在红血球中的寄生虫身上。第一个决定点是，是继续进行无性复制的循环，还是分化成有性的形式，称为配子细胞，以实现人与蚊子的传播。第二个问题是配子细胞是发展成雄性还是雌性形式。对于生命周期的所有其他阶段，即在人类和蚊子宿主之间分裂，寄生虫的唯一选择是进入下一个阶段。作者揭示了一个长期存在的关于男性性别如何决定的谜团。
无性寄生虫转化为配子细胞，称为性转化，始于GDV1蛋白的表达，它取代了pfap2-g基因的压制性蛋白-DNA复合体（异染色质）。这导致了pfap2-g的表达，它编码一个转录因子蛋白（PfAP2-G），启动配子细胞发育程序。
直到现在，疟疾寄生虫的性别决定机制仍是未知的。然而，还是有一些线索的。基因相同的寄生虫群体是单倍体的（每个基因有一个拷贝），可以产生雄性和雌性配子细胞。这就反对涉及基因替代版本（等位基因）的性别决定机制，或性染色体的作用。该观察表明，性别是由非遗传机制决定的。
以前的一项研究利用可以感染小鼠的疟原虫，发现基因md1是参与男性性别决定的主要候选基因。Gomes及其同事对这一发现进行了追踪，并证明该基因所编码的Md1蛋白负责恶性疟原虫的雄性性别决定。作者用各种方法描述了Md1的作用，包括利用基因工程寄生虫和在单细胞水平上进行全球基因表达（转录组学）的分析。使用单细胞转录组学来测量单个寄生虫的基因表达，对于从混合的寄生虫群体中识别和分别分析雄性、雌性和性前体细胞（其中性别尚未确定）至关重要。
作者表明，几种类型的RNA是由md1基因组区域（md1基因座）制成的。该基因的全长 "有意义 "版本的信使RNA的表达导致Md1的产生，并导致雄性性别的确定（图1）。一种不产生蛋白质、从md1基因座的DNA反面转录的RNA--反义长非编码RNA--的表达与发育成雌性特别相关。此外，一种与有义RNA的较短版本相对应的RNA也被表达，至少在雌性体内是这样，这显示了一种复杂的转录结构。Md1似乎不是一个转录因子，因为作者发现它定位于细胞质斑点（病灶），并报告说它与参与调节mRNA稳定性或翻译的蛋白质有关。因此，Md1可能是在转录发生后运作，而不是调节转录。
Gomes等人确定了Md1的一个区域（氨基末端结构域）负责并足以决定雄性，而该蛋白的另一个区域（羧基末端结构域）在后来需要用于雄性配子细胞的正确发育。以前的工作确定了雄性或雌性配子细胞成熟的必要因素。Md1的独特之处在于它决定了男性的性别，而不是在性别确定后才需要成熟。我们可以推测，默认情况下，配子细胞会发育成雌性，而只有那些在md1基因座发生转录转换，导致Md1产生的配子细胞才会成为雄性。检验这一假设将需要对尚未指定性别的性前体中md1基因座上的RNA种类进行高分辨率的时间分析。
以前的研究使用一种称为斑块试验的方法，在这种方法中，单个无性寄生虫产生的后代细胞可以被观察到，表明性别决定发生在承诺性转换的同时或之后不久。相比之下，Gomes等人显示Md1的表达和雄性和雌性配子细胞之间的转录分化开始于配子细胞发育的第二或第三阶段，也就是性转换后约四天，表明性别决定反而发生在这个较晚阶段。斑块试验（20多年前）的结果是用抗体来区分雄性和雌性配子细胞，应该用更新的技术和工具来重新审视这些试验，如雄性-雌性报告系，其中不同的荧光蛋白的表达取决于寄生虫是雄性还是雌性。如果斑块试验的结论得到证实，将有必要调和与Gomes及其同事的结果之间的明显差异，也许可以援引md1转录开关上游的分子事件。这类事件可能预先使寄生虫在几天后成为雄性或雌性。
恶性疟原虫的生命周期进展一般由ApiAP2家族8的转录调节器级联的表达来控制。然而，对于性转换和性别决定，该寄生虫分别在gdv1或md1基因组区域使用复杂的转录开关。gdv1基因座还编码一个大量表达的反义长非编码RNA，它被认为是GDV1表达的抑制者。相比之下，Gomes及其同事排除了md1反义长非编码RNA的抑制作用，尽管其确切的作用机制尚不清楚。值得注意的是，反义长非编码RNA也参与了另一个基因家族（var基因）的调控，该基因家族在寄生虫生物学中具有基本作用--介导寄生虫毒力和逃避免疫反应。因此，涉及同一基因座中编码的不同RNA物种的复杂转录开关成为疟疾-寄生虫生物学中需要强有力调节的基本过程的一个共同主题。
Md1作为雄性决定因素的鉴定解决了疟疾-寄生虫生物学中一个主要的悬而未决的问题，并提出了几个问题。未来的研究应该确定md1基因座的转录转换机制，导致全长mRNA的表达和Md1的产生，并确定md1表达的调节器。这种转换可能涉及随机性因素（随机过程），因为在相同环境条件下的遗传相同的寄生虫群体中，有些会发展成雄性，有些会发展成雌性。然而，这种转换可能受到环境线索的调节，动态地将性别比调整到不同条件下的最佳水平。
值得注意的是，转化为有性形式的寄生虫的比例（性转化率）也受到环境的影响。一些提高基线性转化率的线索已被确认，包括特定脂质的耗竭和接触某些药物；然而，这些线索导致gdv1和pfap2-g表达的机制还没有解决。未来的研究应解决gdv1和md1开关对环境的反应机制。
现在探索性别决定的另一个关键方面已经成熟，即确定Md1的分子目标。Gomes及其同事的工作表明，Md1有助于调节一些mRNAs的稳定性或翻译。为了全面了解疟疾性别决定的机制，需要确定所针对的特定mRNAs以及它们所参与的下游事件。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05509-z
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