Внутриклеточные паразитические протисты не могут синтезировать белки без спермидина

Жизнь внутриклеточного паразита требует уникальных адаптаций — например, она привела к редукции их собственных геномов и изменениям метаболизма. Известно, что многие внутриклеточные паразиты сами производят такие полиамины, как спермин, спермидин и путресцин, хотя другие получают их извне. Как с этим обстоят дела у бабезий и малярийного плазмодия, которые обитают внутри эритроцитов человека и вызывают тяжелые болезни? И насколько важны для них отдельные полиамины? Ответам на эти вопросы посвящена статья в Science Advances.

Babesia duncani (возбудитель бабезиоза) и Plasmodium falciparum (малярийный плазмодий) относятся к типу Apicomplexa (споровики). Все представители этой группы — облигатные паразиты различных животных, в том числе внутриклеточные. Чтобы установить роль полиаминов и связанные с ними биохимические пути, присущие этим протистам, ученые из США и Франции культивировали B. duncani и P. falciparum в человеческих эритроцитах, оценивая активность паразитов по их концентрации.

Полные последовательности геномов ряда паразитических протистов (родов Plasmodium, Trypanosoma, Toxoplasma, Cryptosporidium), а также отдельные генетические и фармакологические данные позволили установить компоненты пути биосинтеза полиаминов. Организмы, которые в основном синтезируют эти соединения самостоятельно, вначале превращают аргинин в орнитин с помощью аргиназы I. Далее орнитин превращается в путресцин под действием орнитиндекарбоксилазы (ODC).

Авторы этой статьи на основании фармакологических, биохимических и генетических данных показали, что B. duncani — один из заражающих человека видов бабезий — устроен иначе. Бабезия лишена ферментов ODC и ADC (аргининдекарбоксилаза) и полностью зависит от получения путресцина извне. Действительно, ингибирующий ODC препарат DFMO (DL-ɑ-дифторметилорнитин) не оказал действие на паразита, а добавка орнитина к среде без полиаминов не восстановила его нарушенное деление.

Биоинформатический поиск также не обнаружил в геноме B. duncani гена ODC, а биохимический анализ не выявил конверсии орнитина в путресцин.

Ингибиторный анализ показал, что среди трех основных полиаминов бабезии особенно нуждаются в спермидине. Он служит субстратом для дезоксигипузинсинтазы, которая осуществляет первый этап гипузинирования — образования непротеиногенной аминокислоты гипузина путем присоединения остатка аминомасляной кислоты от спермидина к определенному остатку лизина eIF5A.

Путь гипузинирования появился у эукариот и эволюционно консервативен. Ингибирование его первого этапа у B. duncani с помощью аналога спермидина GC7 (N1-гуанил-1,7-диаминогептан) резко снижало концентрацию гипузинированного eIF5A и подавляло рост бабезий. При этом добавление в среду путресцина, спермидина или спермина ослабляло ингибирующий эффект GC7 на 35%, 65% и 35% соответственно.

Также важно, что недостаток спермидина вызывает у внутриклеточных паразитов окислительный стресс. Это показали с помощью окрашивания дигидрородамином, который в присутствии активных форм кислорода превращался в флуоресцирующий родамин.

Дефицит путресцина в среде тоже снижал гипузинирование eIF5A у бабезий. Транскриптомные данные подтверждают это, в том числе по изменению активности генов, кодирующих компоненты трансляционного аппарата.

При этом геном паразита не кодирует канонической сперминсинтазы, однако в нем обнаружен гомолог сперминоксидазы дрожжей FMS1. У дрожжей этот фермент способен превращать спермин в спермидин.

Также в геноме B. duncani нашли предполагаемый ген BdPAPT, кодирующий фермент с аминопропилтрансферазным доменом. Его гомологи имеются у дрожжей, других бабезий (B. bovis и B. divergens), P. falciparum и близкого плазмодию паразита из рода Theileria orientalis. Авторы получили рекомбинантный белок, содержащий C-концевую область BdPAPT, и доказали его способность превращать путресцин в спермидин in vitro.

Аналогичным образом, спермидин оказался необходим малярийному плазмодию P. falciparum для выживания в эритроцитах. В основе лежали те же механизмы регуляции трансляции и окислительный стресс. Однако плазмодий способен самостоятельно синтезировать спермидин на основе аргинина. Этот паразит обладает спермидинсинтазой двойного действия, которая сначала катализирует превращение путресцина в спермидин, а затем спермидина в спермин.

Обнаруженный механизм может стать новой мишенью для лечения болезней, вызываемых этими паразитическими протистами.

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