揭开疟疾“元凶”的面纱，一探PTEX蛋白的奥秘

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你是否曾在燥热的夏夜辗转反侧，被“嗡嗡”作响的蚊子吵得睡不着觉?那细小的血吸虫，不仅扰人清梦，还可能带来疟疾、黄热病等威胁生命的疾病。我们居住的地球上，虽有上百种蚊子，但仅有少数几种能传播疾病，其中最为人所熟知的，就是疟蚊。这种夜行性的疟蚊，体型较小，喜欢在夜晚叮咬人畜，吸食血液。虽然它们个头不大，却在疟疾的传播中，扮演着关键性的角色。那么问题来了，疟蚊作为疟疾的中间宿主和传播载体，它体内又住着什么呢?

01 疟疾的元凶:疟原虫

图1 疟原虫入侵红细胞

疟疾真正的元凶是生活在疟蚊体内的疟原虫。 

疟原虫隶属于“孢子虫门”，是一类典型的原生生物。根据宿主和致病力的不同，目前发现的疟原虫约有100多个种，而其中5种可引起人体疟疾。这5种人疟原虫分别是：恶性疟原虫、间日疟原虫、三日疟原虫、卵形疟原虫和知氏疟原虫。在这几种疟原虫中，恶性疟原虫和间日疟原虫的致死率可高达20%，前者可导致恶性疟，后者可导致三日疟；而另外3种疟原虫导致的疟疾症状则包括：高烧、剧烈头痛、全身酸痛、脾肿大、贫血、黄疸……因此疟疾防治是人类迫切的需求。

然而在疟疾防治进程中，疟原虫的耐药性正在逐步形成。这对疟疾的最终消灭构成了极大威胁。目前，人类对这些微小的原生生物其实知之甚少……

02 疟原虫是如何躲藏于人体的?

在病人体内，疟原虫主要藏身于肝脏和红细胞中。当带有疟原虫的母疟蚊叮咬人体吸血时，会通过唾液传播体内的疟原虫幼虫。这些幼虫会首先感染人的肝脏。在肝脏里，每个幼虫可以通过无性生殖产生上万个子代，这就是疟原虫肝内成长期。8-9天后，子代疟原虫离开肝脏，进入血液，开始感染红细胞。这标志着疟疾的临床症状开始出现。在红细胞中，疟原虫也进行着另一轮快速增殖，数目可达上百万。随后这些后代继续感染其他红细胞，周而复始。最后，红细胞在大量疟原虫的“捣乱”下破裂，释放出成千上万新一代的体内“后备军”。这些疟原虫要么继续感染其他红细胞，要么被新的蚊子吸入体内，传染更多的人。

因此，疟原虫是真正的生物进化高手，它巧妙利用了疟蚊和人体，作为它快速繁殖的“养料”和“温床”。在如此高效的生殖模式下，短短数年，一个疟原虫就可以产生数以万亿计的后代。而为了完成在两种宿主体内的繁殖，无论在肝脏还是红细胞中，疟原虫都生活在一个被寄生泡所包围的“独立空间”，被称之为寄生胞。这为疟原虫提供了一个隔绝外界环境的“家”，让它可以安心坐享掠夺成果，避开宿主的免疫系统识别和攻击。在繁殖的过程中，疟原虫需要从寄生泡内向宿主细胞内分泌各种功能蛋白以满足自身需求，那么问题来了，疟原虫体内这些重要蛋白，是如何从寄生泡中达到红细胞和肝细胞内部呢?

03 疟原虫的重要“军火库”

研究发现在寄生胞外存在一个巨大的蛋白输送通道，名称就叫寄生虫蛋白输出通道，英文缩写是PTEX（Plasmodium translocon of exported proteins）。这就是疟原虫输出重要蛋白进入宿主细胞质的重要通道。

总的来说，PTEX输出的关键蛋白主要有以下3大类:  

1、帮助疟原虫吸收营养  

宿主细胞内部鲜有自由氨基酸和小分子物质。为弥补这一短板，疟原虫需要通过在寄生泡膜上插入特殊的吸收泵和转运蛋白，以此从红细胞内部抽取营养。

2、帮助疟原虫排泄废物

任何生物大量吃东西之后，都会产生大量的新陈代谢废物，这也适用于疟原虫。为处理这些废物的毒害，PTEX会向宿主红细胞输出大量膜通道蛋白。这些通道会在寄生泡膜形成小孔，释放疟原虫体内积累的有毒废物。

3、逃脱宿主免疫系统识别

这是PTEX输出蛋白最重要的功能之一。当病毒等外源入侵者进入体内后，免疫系统会启动一系列应对机制，最终清除敌人。而PTEX输出的一些关键蛋白，会在红细胞表面形成一个硕大的蛋白网络，像隐形斗篷一样把整个寄生泡遮盖起来，这可以有效帮助疟原虫逃脱宿主免疫系统的检测。  

因此，PTEX及其输出的蛋白成员，是维系疟原虫在人体内生存的绝对“必需品”。没有它们，疟原虫将很快被宿主清除。

04 PTEX的奥秘

图2 PTEX的定位（a）以及两种不同工作状态的展示（b，c）

长久以来，科学家们对于PTEX的了解十分有限。作为一个超大型蛋白质转运通道，了解它的精确结构尤为重要。来自加州大学洛杉矶分校的周正洪团队通过冷冻电镜技术解析了PTEX复合体在两个不同作用状态下的准原子级结构信息。这为准确理解PTEX的工作原理，打开了大门。该项研究成果发表于《自然》期刊。

从解析出的高分辨结构可以发现:

(1)PTEX是一个由EXP2、PTEX150和HSP101三种蛋白组成的膜蛋白复合体；其中，PTEX的组装模式为六聚体的HSP101与七聚体相互连接；HSP101与EXP2间通过PTEX150组装链相互锚定，这对PTEX的结构的稳定至关重要；

(2)寄生胞的膜蛋白EXP2形成了一个七次对称的通道，贯穿整个寄生泡膜； 

(3)在HSP101蛋白中发现了疟原虫输出底物的密度，证实HSP101可以识别并去折叠底物蛋白。

05 PTEX解折叠和转运机制

图3 PTEX复合物的转运模式图：

HSP101通过内腔的特定氨基酸（a）将底物转运给EXP2通道

那么PTEX是如何工作的呢? 通过PTEX两个状态的对比，作者提出HSP101与EXP2协同工作，将底物蛋白机械蚕食穿过寄生泡膜的具体分子机制。

简单来说，PTEX利用HSP101和EXP2两大部件协同工作，完成疟原虫效应蛋白的解折叠和膜转运。HSP101属于ATP水解酶超家族，它可以通过ATP的水解释放能量，这为HSP101提供了动力。借助这股动力，HSP101中六条弹簧似的器官能够协作，用力拉扯底物蛋白，使其在通道中解折叠。同时，HSP101还能协调上下移动，像一台精密“卷轴机器”那样，将折叠好的底物蛋白向外运送，最终“喂”给EXP2。而EXP2则在整个寄生胞膜中形成一个七聚体通道，为HSP101解折叠的蛋白打开一个通道，让它们毫无阻碍地滑出寄生泡，进入红细胞。HSP101和EXP2就这样密切配合，使疟原虫可以高效输出体内累积的各种蛋白质，完成上述的种种功能。

这个转运模型也很好地解释了PTEX密切相关的两大蛋白为何需要高度协同:  HSP101产生动力和完成解折叠，EXP2提供转运通道，两者缺一不可。这也再次证实了两者结合的重要性。

06 用结构生物学的眼光审视疟疾

通过结构生物学手段解析PTEX结构，对于理解其转运机制以及治疗疟疾具有重要的意义。生物体内的蛋白质，就是一个机器中的核心工艺部件；而生物过程，是这些部件组装起来后开始运转的结果。如果想要理解这个大工厂，就得先搞清楚每个部件的结构，然后弄明白它们如何协作，这就需要结构生物学的眼光。

对于PTEX而言，它就好比一个跨越两座高楼的空中走廊，依靠HSP101、EXP2等支柱固定，用来输送疟原虫的效应“武器”。如果想破坏这个“走私通道”，最好的方法就是切断其中某根关键“支撑柱”。这就需要明确每根“钢筋”的精确位置。比如当前的研究就证实，断开HSP101与EXP2间的锚定互动，会彻底破坏PTEX的功能，这就为设计特异性药物提供了理论基础。 

因此该项对于PTEX结构研究，作为疟疾防治进程中一个重要的里程碑，仅大大推进了我们对疟原虫蛋白输出机制的理解，也为开发抑制PTEX功能的新药提供了理论基础。

07 结构生物学的应用前景

事实上，结构生物学不仅可用于疟疾研究，还拥有广阔的应用前景:

1、药物设计

通过获得靶点蛋白的三维结构，可用于合理设计结合该目标的小分子化合物，从而获得高选择性的药物候选物，这是结构生物学最成功的应用之一。

2、蛋白工程

根据目的蛋白质的三维结构，可人为改造其关键结构域，获得全新功能的靶向蛋白，用于诊断与治疗等用途。

3、疾病机理研究

结构生物学可以解析复杂的体内生化过程，揭示疾病的深层发病机制，为后续的干预策略提供依据。

4、新型疫苗设计

通过解析病原体表面抗原的三维结构，可筛选关键的中和表位，人工合成其疫苗，激发机体产生保护性免疫应答。

可以说对于理解生命科学的奥秘，结构生物学大有可为。中科微末作为深耕于结构生物学和AI领域的企业，已充分认识到提供优质结构解析服务对于生命科学研究的重要意义。

中科微末依托自主研发的冷冻电镜技术，专注为生物医药企业提供结构生物学研究服务，实现目标蛋白原子级高分辨率的结构解析。团队成员累积发表400+顶级SCI期刊论文，团队手握多项专利软著，在冷冻电镜技术工作流每个环节累积了大量独家算法和专利，可以提供“高难度结构有解决方案，低难度结构更迅速价格更便宜”的技术服务。展望未来，中科微末将继续致力于冷冻电子显微技术的研发和创新，持续推出更多切合客户需求的结构解析解决方案。

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