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Science丨基于单细胞测序绘制首个高分辨率“疟疾细胞图谱”,涵盖疟原虫整个生命周期

日前,科学家已成功利用单细胞RNA测序技术,绘制了迄今为止第一份全面、高分辨率且涵盖疟原虫整个生命周期中的转录图谱:“疟疾细胞图谱”(Malaria Cell Atlas)。

在8月23日发表在《科学》期刊的最新文章中,由Wellcome Sanger研究所领导的国际研究团队使用先进的单细胞技术对单个疟原虫细胞进行了分离,并分析了其基因表达模式,最终生成了1,700多个不同生命阶段伯氏疟原虫(Plasmodium berghei)的单细胞转录组图谱。该图谱提供了迄今为止关于疟原虫基因表达的最高分辨率信息,记录了单个疟原虫在蚊子和人类宿主中发育过程中的变化,以及不同基因在各个生命周期中可能发挥作用的特定阶段,揭示了疟原虫基因功能和调控的新线索。这一图谱的成功构建为开发新型抗疟药物、疫苗和阻断策略提供一个宝贵的开放参考数据集。

疟疾是一种由单细胞生物疟原虫所引起的严重人类疾病。疟原虫有着复杂的生命周期和多种形态阶段,能够生活在脊椎动物和无脊椎动物宿主的细胞环境内。根据WHO此前发布的世界疟疾报告,疟疾在全球影响超过2亿人,2017年造成近45万人死亡,其中大多数为5岁以下儿童。当前,疟原虫对多种一线药物产生的耐药性对疟疾防控构成了巨大威胁。尽管研究人员在疫苗开发领域取得了进展,但抗疟药物的新药开发仍然存在诸多挑战。在分子水平上,人们对这种微小的寄生虫仍然基本未知。

随着“疟疾细胞图谱”的成功绘制,如今全世界科学家可免费获取该数据资源,探索疟原虫复杂生命周期中的各种形态变化及基因表达模式。论文共同第一作者、Wellcome Sanger研究所Virginia Howick博士表示:“我们成功绘制了一份跨越疟原虫完整生命周期的基因活性图谱。这是第一份单细胞生物的转录图谱。疟原虫的生命周期是研究这种疾病的关键,‘疟疾细胞图谱’将帮助我们真正了解疟原虫,进而有效控制疟疾。

图:涵盖疟原虫整个生命周期的“疟疾细胞图谱”

据悉,为了绘制该图谱,研究人员分离并纯化了1,787个跨越蚊虫介体到哺乳动物宿主等所有生命阶段的伯氏疟原虫细胞。利用改进的Smart-seq2方法,研究人员对其进行了分析,并发现每个细胞平均有1,527个基因(因疟原虫阶段而异)。通过可视化和聚类分析,研究人员发现,寄生虫细胞的转录组主要基于生命周期阶段和宿主聚类。研究人员还发现了基因表达簇,虽然两个簇主要包含持家基因,并在整个生命周期中表达,但大多数簇都是在特定阶段表达的。此外,研究人员还发现一组基因功能在整个疟原虫生命周期的各个阶段都得到保守,表明它们或是未来疗法的潜在靶点

此外,研究人员还利用10x Genomics公司的Chromium平台进一步对感染小鼠、猴子和人类的疟原虫进行了分析。研究人员广泛地发现,尽管疟原虫感染了如此不同的宿主,并在生命周期阶段和基因上存在一些差异,但这些疟原虫仍存在相似的基因转录模式,这为建立新的候选药物靶点提供了方向

论文通讯作者、Wellcome Sanger研究所博士Mara Lawniczak表示:“我们需要了解疟原虫在整个生命周期中使用的所有‘技巧’才能战胜疟疾。疟疾细胞图谱是第一份让我们了解不同疟原虫差异的详细图谱,即使它们在基因上是相同的。我们面临的问题是疟疾对现有抗疟药物的耐药性越来越强,随着新药的开发,我们希望疟疾细胞图谱能够作为参考,帮助科学家了解疟原虫如何改变它们的行为,以应对控制手段做出的反应。这将有助于揭示如何遏制疟原虫并最终消灭疟疾。”

参考资料:

1. The Malaria Cell Atlas: Single parasite transcriptomes across the complete Plasmodium life cycle

2. Map of malaria behavior set to revolutionize research

3. Malaria Cell Atlas Encompasses Transcriptomic Profiles Throughout Parasite's Life Cycle

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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