Регулювання перекладу в найпростіших паразитних лейшманіях

Земфіра Н. Карамишева

1 Відділ біологічних наук, Техаський технічний університет, Лаббок, Техас 79409, США

Снайдер Олександр Гутьєррес Гуарнісо

2 Відділ клітинної біології та біохімії, Техаський університет, Центр наук про здоров'я, Лаббок, Техас 79430, США; ude.cshutt@zinraugs

3 Програма естудії та управління де Енфермедадес Тропікалес, Університет Антіокія, Медельїн 050010, Колумбія

Андрій Л. Карамишев

Анотація

Лейшманіоз є серйозною проблемою здоров'я у всьому світі, і стійкість до наркотиків викликає все більшу стурбованість. Паразити лейшманії використовують незвичні механізми контролю своєї експресії генів. На відміну від багатьох інших видів, вони не мають регуляції транскрипції. Відсутність контролю транскрипції в основному компенсується механізмами посттранскрипції, включаючи жорсткий контроль трансляції та регулювання стабільності/трансляції мРНК за допомогою РНК-зв’язуючих білків. Модуляція трансляції відіграє важливу роль у виживанні паразитів та адаптації до різко різних середовищ під час зміни господаря; проте наші знання про тонкомолекулярні механізми трансляції в Лейшманії залишаються обмеженими. Тут ми розглядаємо поточний прогрес у нашому розумінні того, як зміни в поступальному механізмі сприяють диференціації паразитів під час передачі від піщаної мухи до хазяїна ссавця, та обговорюємо, як поступове перепрограмування може сприяти розвитку стійкості до наркотиків.

1. Вступ

Види лейшманій - це одноклітинні найпростіші, які спричиняють лейшманії, що вражають близько 12 мільйонів людей у всьому світі [1]. В даний час визнано 53 види лейшманій, з них 20 патогенні для людини [2]. Вісцеральний лейшманіоз, також відомий як кала-азар, є найважчою формою захворювання, із смертністю майже 100%, якщо її не лікувати [3,4]. Зазвичай це викликано L. donovani та L. infantum. У пацієнтів спостерігається збільшення селезінки та печінки, лихоманка та втрата ваги. Інший тип, слизово-шкірний лейшманіоз, утворює ураження, які можуть призвести до серйозного руйнування слизових оболонок носа, порожнини рота та горла. Викликається в основному L. braziliensis та L. panamensis. Шкірні форми лейшманіозу є найпоширенішими і характеризуються наявністю шкірних виразок; вони становлять близько 90% усіх нових випадків [5]. До 20 видів можуть викликати шкірний лейшманіоз [2]. На жаль, можливості лікування лейшманіозу дуже обмежені, а стійкість до наркотиків є великою проблемою [6,7].

Протягом свого життєвого циклу ці венозні найпростіші чергуються між джгутиковими промастиготами, які живуть у позаклітинній формі в середній кишці піщаних мух, та амастиготами, які мешкають у фаголізосомному відділі макрофагів ссавців (рис. 1). Контроль над лейшманіозом утруднений відсутністю безпечної вакцини, обмеженим вибором препаратів, їх високою токсичністю та появою штамів, стійких до лікарських засобів [8,9].

Основні етапи диференціації паразитів Лейшманії. Протягом життєвого циклу Лейшманії паразити переходять від векторів фліботомінних піщаних мух до господарів хребетних ссавців. У безхребетних господарів Leishmania spp. приймає два різні етапи. Проциклічні промастиготи розмножуються в середній кишці живота комахи, поступово стаючи метациклічними промастиготами, мігруючими до передньої середньої кишки. Далі паразити передаються господарям ссавців під час прийому крові. Потрапивши в хазяїна хребетних, паразити потрапляють у фагоцити і перетворюються на внутрішньоклітинні амастиготи. Амастиготи можуть виживати та розмножуватися всередині фаголізосоми, врешті-решт руйнуючи клітину-хазяїна, заражаючи нові клітини ссавців та відновлюючи інфекцію під час укусу нового комахи. Червоні крапки вказують на місцезнаходження паразитів.

Паразити лейшманії мають унікальні молекулярні особливості, такі як поліцистронна транскрипція та, як результат, відсутність контролю транскрипції [10,11]. Довгі поліцистронні транскрипти, що кодують функціонально не пов'язані білки, виробляються РНК-полімеразою II. Поліцистронні РНК обробляються шляхом 5 ′ транс-сплайсингу з обмеженою сплайсированною лідерною послідовністю та 3 ′ поліаденілювання для утворення зрілих мРНК [12]. Отже, відсутність контролю транскрипції робить Лейшманію гарною моделлю для вивчення посттранскрипційної регуляції, включаючи трансляцію мРНК, що представляє основний механізм експресії генів у видів Лейшманії.

Оскільки Leishmania spp. не маючи контролю транскрипції, вони еволюціонували, щоб мати різноманітні РНК-зв’язуючі білки (RBP) для контролю експресії генів після транскрипції. RBP сприяють диференціації паразитів та підтримують їх виживання у безхребетних та хребетних господарів, де вони стикаються з таким різко іншим середовищем. Ця тонка настройка регуляції експресії генів протягом життєвого циклу паразита досягається модулюванням стабільності рівня мРНК та участю транскриптів у трансляції.

У цьому огляді ми зосереджуємося на ролі трансляційного контролю та RBP у регуляції життєвого циклу паразита та здатності виживати та процвітати під час передачі іншому хазяїну. Особливий акцент приділяється ролі трансляційного перепрограмування у розвитку стійкості до наркотиків. Розкриття молекулярних механізмів поступального контролю, що використовуються паразитами Лейшманії для процвітання в різних хазяїнах, таких як піщані мухи та ссавці, та розшифровка ролі трансляційного перепрограмування у стійкості до лікарських засобів допомагають виявити нові фармакологічні цілі та розробити нові методи лікування в майбутньому.

2. Трансляційний контроль під час диференціації лейшманії

Найпростіші паразити лейшманії мають складний життєвий цикл паразитів, що чергується між переносчиком піщаної мухи та господарем ссавців. Вони існують як високо рухливі промастиготи, що містять джгутики (у комах), і як амастиготи з дуже короткими джгутиками (у ссавців). Джгутикові промастиготи живуть вільно в середній кишці комахи і зазнають значної трансформації у господаря ссавців, де стають амастиготами, що живуть усередині макрофагів.

Регуляція трансляції на різних стадіях життєвого циклу у паразитів лейшманії. Паразити лейшманії зазнають різких змін у трансляції під час зміни господаря. Під час переходу від вектора комах до хребетних господарів зміни температури, рН та живлення сприяють загальній поступальній репресії через фосфорилювання eIF2α. Одночасно в амастиготах регулюється селективна трансляція, щоб забезпечити виживання та адаптацію паразитів у макрофагах. У піщаної мухи паразити відчувають значне зниження температури та зміну рН та живлення. Це сприяє значному збільшенню трансляції та диференціації амастиготів до сильно проліферативних промастиготів. MΦ, макрофаг; PP, проциклічні промастиготи; МП, метациклічні промастиготи; AM, амастиготи.

Ініціювання трансляції може зіграти велику роль у поступальному перепрограмуванні, коли паразити потрапляють в іншого господаря. Ініціювання трансляції відбувається шляхом зв'язування зв'язуючого ковпачок білка eIF4E з 5 'структурою ковпачка, разом з його партнером по зв'язуванню eIF4G, який служить білком риштування [20]. Потім набирається велика субодиниця рибосоми, коли комплекс ініціації досягає першого AUG [27]. Цікаво, що геноми трипаносоматидів, включаючи види Leishmania, мають велику кількість комплексів, що зв’язують ковпачок, включаючи шість паралогів eIF4E та п’ять паралогів для білка риштування eIF4G [30,31,32,33,34,35]. Наявність багатьох паралогів з різною зв'язуючою активністю та профілями експресії протягом життєвого циклу паразита свідчить про те, що кожен паралог еволюціонував, виконуючи різну біологічну функцію та дуже складну регуляцію експресії генів, під час ініціації трансляції для підтримки паразита. виживання в постійно мінливих умовах. Однак точна роль цих білків у паразитах Лейшманії залишається незрозумілою і вимагає подальшого дослідження.