말라리아 기생충의 가변 미세소관 구조

Nature Communications 14권, 기사 번호: 1216(2023) 이 기사 인용

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미세소관은 일반적으로 속이 빈 원통형으로 배열된 13개의 원형필라멘트로 구성된 유비쿼터스 진핵 세포골격 요소입니다. 이 배열은 표준 형식으로 간주되며 드문 경우를 제외하고 대부분의 유기체에서 채택됩니다. 여기에서는 말라리아의 원인 물질인 Plasmodium falciparum의 수명주기 전반에 걸쳐 변화하는 미세소관 세포골격을 분석하기 위해 현장 전자 저온 단층 촬영 및 하위 볼륨 평균을 사용합니다. 예기치 않게 다양한 기생충 형태는 독특한 조직 센터에 의해 조정되는 뚜렷한 미세소관 구조를 가지고 있습니다. 가장 널리 연구된 형태인 메로조이트에서 우리는 표준 미세소관을 관찰합니다. 이동하는 모기 형태에서는 13개의 원형필라멘트 구조가 중단된 관강나선에 의해 더욱 강화됩니다. 놀랍게도, 배우자세포는 13~18개의 원필라멘트, 이중선 및 삼중선 범위의 미세소관 구조가 광범위하게 분포되어 있습니다. 이러한 미세소관 구조의 다양성은 현재까지 다른 유기체에서는 관찰되지 않았으며 각 생활주기 형태에서 뚜렷한 역할을 한다는 증거일 가능성이 높습니다. 이 데이터는 관련 인간 병원체의 특이한 미세소관 세포골격에 대한 독특한 시각을 제공합니다.

미세소관은 진핵생물의 모든 분지에서 중요한 세포골격 구성요소로, 세포내 수송을 위한 트랙, 운동을 위한 구조적 지지, 염색체 분리를 위한 방추를 형성합니다. α-/β-튜불린 이종이량체의 중합은 측면으로 상호작용하여 속이 빈 원통형으로 조립되는 원형필라멘트를 형성합니다. 13-원생필라멘트 미세소관은 널리 연구된 진핵생물 슈퍼그룹 내에서 가장 일반적으로 관찰되었기 때문에 표준적인 것으로 간주됩니다. 초기 전자현미경학자들은 비정규 미세소관의 여러 예를 발견했지만1, 일부 종에서 기능성 천연 튜불린을 정제하는 데 어려움이 있고 모델 유기체에 대한 과도한 의존으로 인해 미세소관 생물학에 대한 우리의 이해는 주로 후생동물 미세소관 연구에 기반을 두게 되었습니다. 선충2,3의 특수 세포의 11-프로토필라멘트 미세소관과 내이 기둥 세포4,5의 15-프로토필라멘트 미세소관과 같은 비정규적인 예는 호기심 많은 특이치로 간주됩니다. 결과적으로 원생동물은 크고 다양한 그룹이지만 미세소관에 관한 우리의 가설 중 많은 부분이 후생동물 연구에서 추론되었습니다.

Plasmodium spp.의 진핵 원생동물 기생충은 주요 구조적 세포골격 구성요소로서 정렬된 표피하 미세소관(SPMT)의 지지체에 의존합니다. 말라리아의 원인균인 P. falciparum은 모기 매개체와 인간 숙주를 번갈아가며 복잡한 생활사를 가지고 있습니다(그림 1). 두 숙주와의 광범위한 공진화로 인해 병원체는 고도로 전문화되고 형태학적으로 구별되는 다수의 세포 유형(여기서는 형태라고 함)을 활용하게 되었습니다. 각 형태는 뚜렷한 틈새 시장의 마스터이고 형태학적으로 다양하지만 SPMT의 존재는 통합 기능입니다. SPMT는 아래에 있으며 원형질막 아래에 위치한 내부 막 복합체(IMC)로 알려진 이중막과 상호 작용합니다. 이러한 구조는 예를 들어 Toxoplasma gondii를 포함하여 Apicomplexa 전체에서 발견되는 펠리클이라고 합니다. 펠리클은 전환 과정에서 분해된 후 각 생활 주기 형태의 성숙 과정에서 재구성되며, 매번 다른 세트의 관련 단백질이 동반됩니다6,7. 이러한 새로운 재구성은 기생충의 실질적인 형태학적 변화를 이끄는 원동력이며 SPMT는 이 과정에서 중요한 역할을 합니다8.

여기에서 연구된 기생충 형태의 단순화된 Plasmodium 수명주기. 포자소체가 숙주에 주입됩니다. 간에서 분화된 후 메로조이트는 혈액으로 방출됩니다. 대다수는 무성생식 주기(메로조이트)에 들어가고 소수는 배우자 세포가 됩니다. 배우자 세포는 모기에 의해 흡수되고 모기 장에서 수컷과 암컷 배우자가 융합된 후 접합자는 오키네테(ookinetes)로 변형됩니다. Ookinetes는 모기 중장을 통과하여 난모낭으로 발전하고 수천 개의 포자소체를 형성하여 타액선으로 이동합니다. b 작업 흐름의 도식적 표현: (i) 살아있는 기생충은 EM 그리드에서 유리화됩니다. (ii) 세포는 라멜라로 얇아지고 (iii) 전자 저온 단층 촬영(cryo-ET)으로 이미지화됩니다. 틸트 시리즈는 수집되어 계산적으로 3D 볼륨으로 재구성됩니다. c 열 1-4: 다양한 작업 흐름 단계에서 기생충의 대표적인 이미지입니다. 1: 전반적인 기생충 모양을 강조하는 세포의 형광 이미지 구성. 삽입: 각 단계의 만화 표현. 2: 숙주 세포(녹색 별표)로 둘러싸인 Plasmodium 기생충(일부는 노란색과 녹색으로 가색)을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진. 3: 라멜라의 개요를 보여주는 현미경 사진. 4: 단층촬영 예시를 살펴봅니다.