中国人兽共患病学报 Chinese Journa1 of Zoonoses 187 DOI:10.3969/cjz.j.issn 1002—2694.2013 02 018 恶性疟原虫AMA一1基因多态性研究进展 周银发 ,张山鹰 摘 要:疟原虫裂殖子顶端膜抗原1(AMA一1)在裂殖子晚期破裂前大量合成抗原物质,在裂殖子黏附、入侵红细胞过程中 起到重要作用。近期的研究主要通过对其进行分子生物学及免疫学进行的研究,表明AMA一1可作为疟原虫的重要疫苗候选 抗原之一。本文介绍恶性疟原虫AMA一1的分子结构、基因多态性的研究进展,着重分析一些有重要功能的区域片段,基因家 族的分类以及造成多态性的原因,为进一步对AMA一1基因多态性研究提供参考。 关键词:疟原虫;AMA一1;基因多态 中图分类号:R382 3 文献标识码:A 文章编号:1002—2694(2013)02—0187—04 Advances on research of AMA-1 gene polymorphisms in Plasmodium falciparum ZHOU Yin—fa ,ZHANG Shan—ying (1.School of Public Health,Fujian Medical University,Fuzhou 350004,China; 2.Fujian Center for Disease Control and Prevention,Fuzhou 350004,China) ABSTRACT:The apical membrane antigen一1(AMA一1)is highly expressed in the late schizont stage of the Plasmodium and plays an important role in the merozoite adhesion and invasion of erythrocytes.Recent researches for Plasmodium were carried on the molecular biology and immunology.These researches show that AMA一1 is a leading malaria vaccine candidate an— tigen.This article gave a detailed introduction about molecular structure and polymorphism of the Plasmodium fah'iparum AMA一1 genes and emphasisly analysed some important domains of AMA一1 gene。groups of gene families and the reason of pol— ymorphism tO provide the reference for the further study of polymorphism of AMA一1 gene. KEY WORDS:Plasmodium;AMA 1;gene polymorphism Supported by the Natural Science Foundation of Fuj ian Province(No.Z05 1 606 6) Corresponding author:Zhang Shan—ying,Email:zsy@fj cdc.com.cn 疟疾是一种重要的虫媒传染病,广泛流行于热 带、亚热带以及温带部分地区。由于抗药性虫株和 抗杀虫剂按蚊的出现和蔓延,传统的控疟方法效果 趋降。疫苗可能是有效的方法,所以疫苗的研发成 为控制疟疾的重要策略。裂殖子顶端膜抗原1 (AMA一1)是恶性疟原虫的重要疫苗候选抗原之一, 和棒状体的顶端复合物上,随着裂殖体的破裂,并非 所有的AMA一1都迁移到裂殖子表面,而是一部份 AMA一1蛋白酶降解加工进而迁移到裂殖子表面, 另一部分未加工的AMA一1仍处于顶端复合物 中E3]。AMA一1这部分的酶解加工可能与裂殖体破 裂和裂殖子稳定性有关。虽然AMA-1在疟原虫入 在入裂殖子侵红细胞过程中起着重要作用 ]。 侵人类细胞中起到重要作用,但却没有在疟原虫入 侵后形成的环状体中发现它,提示有可能AMA一1 只是作为一种类似信号肽的作用_4]。AMA一1可 能是疟原虫侵入红细胞时与红细胞膜结合的配体蛋 1 AMA.1的分子结构及其作用 恶性疟原虫AMA一1基因全长大约有1 701 bp,编码约600个氨基酸 。AMA一1在裂殖子晚 白结合 。 AMA-1蛋白是一个83KD的完整跨膜蛋白,含 有两个疏水区域,一个是由胞质区域靠近C一末端的 55个氨基酸组成;第二个是由靠近N~末端的疏水 区域,可能有类似信号肽的作用。AMA一1由3个区 域组成,分别是由21个疏水氨基酸残基组成的跨膜 期破裂前大量合成,最早是出现于裂殖体的微线体 福建省自然科学基金计划项目(No.Z0516066)资助 通讯作者:张山鹰,Ernail:zsy@fjcdc.com.cn 作者单位:1.福建医科大学公共卫生学院,福州 350004 2.福建省疾病预防控制中心,福州 350001 188 中国人兽共患病学报 —区、胞膜内的55个氨基酸残基构成的胞内区和处于 N末端到跨膜区之间的胞外区(546个氨基酸残基) 组成的 。 210区域;Honder则认为HVR是属于外功能I 区的一大部分,也有认为HVR与外功能工区只是 有重叠部分。HVR的研究区域逐渐变大,扩大到 138—307区域l_】 ,到目前属于148-337区域_l 。 基于HVR,Marshall_1 等采用PCR—RFLP方 恶性疟原虫的AMA一1蛋白,在胞外区含有17 个相对保守的半胱氨酸残基,除了最N端的那个半 胱氨酸残基外,其余的16个形成了8对分子内的二 硫键,这8个二硫键对AMA一1蛋白的三维结构以 及因其产生的特异性免疫保护反应起到重要作用。 而且基于这些二硫键可将胞外功能区分为工、Ⅱ和 法将AMA一1等位基因分为4个家族I、Ⅱ、Ⅲ和 1V;Eisen[1 等同样用该方法将恶性疟原虫的 KF1916分离株消化成两个次级等位基因分别属于 l、Ⅱ家族;在对恶性疟原虫的非洲分离株的研究中 Ⅲ三个次级的功能区,分别含有3对,2对和3对二 硫键 。 3个区域均是抑制性抗体的目标区域,所以外 功能区的多态性对疫苗抗原的组成有很大的影响。 有很多研究都针对该区域进行分析,其中很多研究 都表明在外功能区甚至AMA—l全长中工区是最具 有多态性的,而Ⅱ区就相对比较保守一点l8州,但也 有研究表示在Ⅱ区具有最多的氨基酸替代,表明Ⅱ 区可能是最具多态性的一个区域[2J。虽然只有较少 的突变发生在Ⅲ区,但是潜在的多态性也可能造成 疟原虫逃脱抗体的作用。3个区域之间有着相互的 作用,这相互作用是否对疫苗的发展有用还需进一 步研究。 2 AMA.1基因多态性研究 2.1B T细胞抗原表位多态性 B T细胞抗原表位 在AMA—l致免疫过程中起到重要作用,其抗原多 态性在对疫苗的抗原成分有很大的影响。在AMA— l上有9个具有致免疫B T细胞抗原表位,其中有5 个B细胞抗原表位和4个T细胞抗原表位,对这些 表位均具有多态性,且除了胞质尾区的571—588残 基上的一个T细胞抗原表位外其他均是非同义突 变数量多于同义突变l8 ;Rajesh[ 等同样也对印度 分离株该9个抗原表位中的8个分析发现比以往的 报告中的结果更具有多态性而且还发现一些新的突 变;Chenet_l 等在恶性疟原虫秘鲁分离株的两个致 免疫的B T细胞抗原表位的(259—271)和(279—287) 区域内发现在267位点(Glu—Gln)和282位点(Ile— Lys)有两个均是非同义突变。 2.2等位基因家族分类 AMA一1基因编码的蛋 白质,它的氨基酸替代呈簇状,聚集在成熟的AMA一 1的第1个和第8个半胱氨酸之间(148—337残基 位置)Marshall口 等发现53个突变位点中有24个 (45V0)处于该区域,该区域就是所谓的AMA一1的 高度可变区域(HVR)。HVR最早是由Thomas等 提出的位于AMA一1基因编码的蛋白质氨基酸160 也只发现有属于前三个家族的等位基因作者认为第 四个家族的等位基因并不存在于非洲l_1 ,在秘鲁的 分离株中发现3个家族[1 ,在印度分离株中只发现 2个家族u 。 但是也有对AMA一1的完整序列数据分析却不 能将等位基因划分成几个家族,认为基因家族分类 使用于一些特殊情况如一些本身就已经有明显的分 组的等位基因如MSP一1和MSP一2基因等。因为 PCR—RFLP方法适用于严格的突变位点,而对于 AMA-1散在的点突变并不适合口 。RajeshE 在研 究中也发现如果按Marshall的等位基因家族分类 法,有两个等位基因不属于任何一个家族。因此这 种采用PCR-RFLP方法对AMA一1等位基因进行 分类的方法还需要进一步的研究。 2.3 AMA一1基因在地域上的差异 对AMA一1基 因在地域上的差异的研究可以帮助我们了解虫株的 进化衍生,而地域上的差异对于疫苗的研发推广是 一种很重要的障碍。 2.3.1 对亚洲地区进行的研究 2007年Gargs等 对印度的5个地区157例分离株分析其中有44个 位点具有多态性产生了57种不同的单倍型,只有 31种是单个拷贝,其中46种单倍型是以前没有报 道过的,且每个地区存在的单倍型都不一样,在疟疾 高流行区域I区多态性程度要比低疟区来的高。整 个I区的152个密码子29个突变位点中有17个位 点是三态的,3个位点是四态的,1个是五态的,其中 13个多态位点具有特定区域的多态性 ]。2008年 Rajeshl2 等对印度的拉贾斯坦和孟加拉省的13例 恶性疟原虫分离株序列分析结果与原型等位基因 3D7和FC27比较,发现有161个突变位点,其中 131个是非同义突变;54个是发生在密码子的第一 个碱基,49个发生在第二个碱基上,58个发生在第 三个碱基上,改变了AMA—l蛋白氨基酸从而导致 多态性的发生,氨基酸改变数量要比2001年Es— calant_8 等对印度(德里)的分离株研究发现的54个 氨基酸改变要多53个,并且在107个氨基酸改变中 2期 周银发等:恶性疟原虫AMA一1基因多态性研究进展 189 有32个位于Ⅱ区,这与Rajesh等在2007年对间日 疟原虫研究发现的结果相似,Gunasekera也发现在 间日疟中有大部分单核苷酸多态位点聚集在Ⅱ区。 Quang_l 等对越南(Bao Loc)的恶性疟原虫分 离株进行序列分析,分析的31个序列中有25个单 2.4.1 由自然选择引起的 在对AMA一1突变位 点分析中发现非同义突变率比同义突变率高是自然 选择的结果,从而产生基因多态性。张龙兴等_1 对 云南勐捧分离株分析发现非同义突变比同义突变率 高,且有14个密码子的突变均造成氨基酸的取代, 一倍型,大部分单倍型只有一个,有4个单倍型两个拷 贝,只有一个是三个拷贝,有37个多态位点,40个 核苷酸多态位点,有三个多态位点是三态型,只有一 些取代还呈多发趋势反映了恶性疟原虫AMA一1 在选择压力下的进化现象;Oliveira等_1 认为非同 义的碱基突变引起氨基酸替代的趋势也表明了基因 个核苷酸多态是由同义突变引起的,在该地区的 正经历着选择的压力;Esclante等_8 研究分析发现 AMA—l基因核苷酸多态性程度要比尼日利亚、泰 AMA一1的致免疫区域在选择的压力下产生高的多 国和斯里兰卡这些疟疾流行区域要来的高。 态性;Rajesh等l_2]对恶性疟原虫的印度分离株也发 单志新等_】 ]对恶性疟原虫海南(FCC1/HN)株 现了dN/dS>1认为自然的选择是造成AMA一1多 AMA—l基因进行序列分析和同源性比较,与其他 态性的主要原因;Chenet等_】叩不仅在(259—271) 分离株相比并无长度多态性,与Thai—Tn和HB3株 R1和(279—287)R2区域还在其他区域发现多态性 的同源性较高,而与张龙兴等_l 报道的云南勐捧 位点的突变都是非同义突变居多,他们认为正是由 CMP1株差异较大,可能与恶性疟原虫FCCl/HN 于该基因在特异性免疫反应的选择压力下产生的非 株与CMP1株存在地理隔离,彼此进化有关。 同义突变;Umar Faroop等l_】 ]采用PCR—RFLP方 张龙兴等对云南勐捧CMP1株序列分析与参照序 法未发现有次一级的等位基因从而无法进行基因家 列比较,有17个突变位点引起15个密码子的变异, 族的分类可能由于多态性存在自然选择的原因; 造成l4个氨基酸的取代。HAN等口。]在南韩在出 Coley等l_20_也发现免疫反应的选择压力对AMA一1 现的间日疟原虫分析发现AMA一1的两个基因型与 分子多态性起到很重要的作用。 中国的基因型相似,推断这些重现的疟疾可能起源 2.4.2 由基因内重组引起的 基因内重组在 于中国或其他亚洲有出现类似该基因型的地区。 MSP一1和MSP一2中已被认为是产生基因多态性的 2.3.2在对非洲以及南美洲人地区的研究:Chenet 一个机制,可能也是AMA一1基因多态性的一个原 等在对秘鲁亚马逊流域的139例分离株研究发现的 因。而重组参数(Rm与R)被认为可以用来估计是 恶性疟原虫多态在其他南美洲地区均可发现,越早 否有重组的存在。Eisenl_1 等采用PCR—RFLP方法 收集的分离株的基因多态性越高,有三个等位基因 对巴布亚新几内亚的恶性疟原虫的KF1916株分析 型3D7、perul和7GB,其中3D7出现的频率最高, 发现有属于工和Ⅱ两个家族的次级等位基因,提示 在全部的D工区域中发现有24个多态位点,其中只 有基因内重组现象的存在。但该发现也仅限于在 有一个是发生同义替代。 HVR上的严格的位点上进行,然而Escalante等 Soulama等E 在对恶性疟原虫非洲的分离株 用Rm与SSCF测量方法均未发现有基因内重组的 进行序列分析发现有三个等位基因型(K1、HB3和 存在。在理论上,当由于基因内重组造成等位基因 3D7),其中3D7的比例在非洲的东西中部存在差异 多态性时,在多态位点之间的基因连锁不平衡程度 (P<O.05)。Esclante等在研究中发现位于非洲的 就会下降;所以当我们用重组参数来估计基因内重 肯亚分离株AMA一1基因是最具多态性,其多态位 组是还要考虑两个连锁不平衡的指数(D’和 点要比东南亚多2O ,比委瑞内拉多30 。作者推 R。)[1 。因此基因内重组是否是造成AMA一1基因 断造成非洲地区的AMA一1多态性程度比其他地区 多态性的主要原因还需进一步研究分析。 来的高有两个主要原因:一是由于选择压力和地区 2.4.3 由二者共同作用引起的Garg_8 等研究的结 的种群大小不同;二是由于恶性疟原虫是发源于非 果也阐明了AMA一1的外功能I区的多态性是由于 洲然后在东南亚衍生,而在南美州则遭遇在衍生殖 正向自然选择导致的,但是重组参数(Rm和R)都 民化进程中的瓶颈_8 。 很高说明了该区的一些多态位点可能有基因内重组 2.4 造成AMA一1基因多态性的原因 造成恶性 的存在。也对恶性疟原虫越南分离株研究中也发现 疟原虫AMA一1基因多态性原因,认为主要有三种: dN/dS>1的同时Rm值也比较高。这些都说明了 一是由于自然选择引起;二是由于基因内重组产生 有可能AMA一1基因多态性可能就是由于二者共同 的;再则就是由于二者共同的作用下造成。 作用下引起的。 190 中国人兽共患病学报 2013,29(2) 3存在问题 AMA—l作为一种重要的疟疾疫苗候选抗原, 虽然对它的研究已取得很大的进展,但是仍有一些 许多问题,例如: 3.1 在AMA一1内的的16个保守的半胱氨酸残 基,在分子内形成8个二硫键对疟原虫的AMA一1 蛋白的稳定性具有重要的作用。而半胱氨酸残基的 多态性对AMA一1成为疟疾疫苗候选抗原的影响还 需进一步的探讨。 3.2 在一些研究中还发现了AMA一1在表达过程 中由于突变而出现提前终止的现象¨2],这种现象对 恶性疟原虫的生活史以及进化的影响,亦需进一步 的分析。 3.3 AMA一1是恶性疟原虫最重要的疫苗候选抗 原之一,但是由于等位基因的多态性而造成一些抗 原表位的多态性,这些多态性阻碍了基于该抗原的 疫苗研发,所以如何去寻找到有效的合适的抗原表 位来研发广谱而有效的疫苗仍是个关键问题。 参考文献: [1]Peterson MG,Marshall VM,Smythe JA,et a1.Integral mem— brane protein located in the apical complex of Plasmodium falci parum EJ].Mol Cell Biole,1989,9(7):3151-3154. 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