Малая молекула нарушает хроматиновый ландшафт малярийного плазмодия

Plasmodium falciparum — основной возбудитель малярии — обладает сложным жизненным циклом, каждая стадия которого требует точного контроля экспрессии генов. Хроматин этого малярийного плазмодия отличается от хроматина других эукариот необычайно высоким содержанием АТ (>80%) и весьма разнообразными гистонами, что приводит к нетипичным свойствам упаковки ДНК. Механизмы ремоделирования хроматина у P. falciparum не консервативны и слабо изучены. Авторы статьи в Nature охарактеризовали один из компонентов этой системы — АТФазу PfSnf2L, которая активно репозиционирует нуклеосомы и контролирует развитие как половой, так и бесполой стадии жизненного цикла.

Исследователи проанализировали белок PfSnf2L — структурно он наиболее близок к одному из пяти семейств АТФ-зависимых ремоделеров хроматина ISWI (Imitation SWItch), но уровень гомологии с человеческим SNF2L составляет лишь 30%. PfSnf2L содержит относительно консервативное АТФазное ядро, его авторегуляторный и субстрат-связывающий домены консервативностью не обладают.

Опыты с рекомбинантным очищенным PfSnf2L показали, что он предпочтительно связывается с АТ-богатой ДНК и специфично распознает нуклеосомы, активно (АТФ-зависимо) перемещая их вдоль ДНК. Отслеживание C-концевой метки, пришитой к белку, выявило, что он экспрессируется на всех бесполых стадиях, выявляющихся в крови. Пик экспрессии приходился на стадию позднего кольца /трофозоита. PfSnf2L имел ядерную локализацию, причем распределялся по нуклеоплазме неравномерно.

Методом иммунопреципитации и последующей жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS) авторы обнаружили 21 белок – интерактант PfSnf2L, специфичный для апикомплексов или плазмодиев. Некоторые из них были связаны с регуляцией транскрипции или организацией хроматина. Ортологов ISWI среди них не обнаружилось, что указывает на наличие у плазмодия иных комплексов ремоделирования.

Биологическую функцию PfSnf2L авторы работы проверяли путем нокаута. В клетки плазмодия внедрили индуцибельную димеризуемую систему cre-lox, с помощью которой вырезали ген PfSnf2L. Эффективность нокаута подтвердили на уровне ДНК, мРНК и белка — она составила более 95%. Нокаут индуцировали в синхронизированной культуре плазмодия в момент инвазии или через 24 часа после нее. В обоих случаях развитие и репликация нарушались на втором цикле, что приводило к гибели паразита. Примечательно, что ранняя (в момент инвазии) индукция нарушала выход мерозоитов из эритроцитов, что снижало количество новых заражений.

Чтобы определить, связаны ли эти дефекты развития с нарушением хроматинового ландшафта, авторы провели расщепление хроматина микрококковой нуклеазой с последующим секвенирвоанием (MNase-seq). Анализ показал, что после инвазии, на стадии позднего трофозоита, хроматин был легче доступен для нуклеаз, то есть более открыт. Особенно выраженные изменения наблюдались в 5′-некодирующих областях (5′-UTR) и межгенных участках.

Транскриптомный анализ в нескольких временных точках выявил, что нокаут PfSnf2L коррелировал с замедлением регуляции экспрессии. Таким образом, этот белок важен для организации хроматинового ландшафта в регуляторных элементах генов. Его активность контролирует своевременную активацию или репрессию транскрипции на внутриэритроцитарных стадиях жизненного цикла плазмодия.

Как выяснилось позже, PfSnf2L необходим не только бесполым стадиям жизненного цикла — он также играет ключевую роль в переходе к половому размножению. Блокировка активности этого белка нарушала ранние стадии гаметоцитогенеза малярийного плазмодия.

Важность PfSnf2L для выживания и репродукции малярийного плазмодия, а также низкий уровень сходства с человеческим гомологом делают его перспективной мишенью для лечения малярии. Авторы работы провели скрининг библиотеки малых молекул, чтобы выявить ингибиторы АТФазного домена PfSnf2L. Самые перспективные соединения затем протестировали in vivo.

Наиболее выраженный эффект на паразитов оказала малая молекула NH125. Обработка этим соединением воспроизводила фенотип нокаута PfSnf2L, приводя к аналогичной задержке развития и гибели плазмодия. Транкскриптомный профиль в ответ на действие NH125 также соответствовал транскриптомному профилю нокаутного P. falciparum. Связывание препарата с PfSnf2L оказалось видоспецифично — он почти не взаимодействовал с гомологом этого белка, обнаруженного у P. vivax, и совсем не взаимодействовал с человеческим вариантом.

Авторы работы намерены углубить изучение низкомолекулярных соединений, нацеленных на ремоделирование хроматина малярийного плазмодия — они рассчитывают подтвердить перспективность этого нового класса препаратов в доклинических исследованиях.

Ферменты плазмодия, расщепляющие лизолецитины хозяина, могут стать мишенью противомалярийных препаратов