PfRCR复合物在疟原虫入侵红细胞过程中形成桥梁

The PfRCR complex bridges malaria parasite and erythrocyte during invasion

作者信息Brendan Farrell, Nawsad Alam, Melissa N Hart, Abhishek Jamwal, Robert J Ragotte, Hannah Walters-Morgan, Simon J Draper, Ellen Knuepfer, Matthew K Higgins
PMID38123677
期刊Nature
发布时间2024-01
DOI10.1038/s41586-023-06856-1

实验完整度

本研究包含冷冻电镜结构解析、生化结合实验、细胞侵袭功能实验、动物模型(Aotus猴)和人源化挑战等多种独立证据,并进行功能验证和机制研究。

主要模型

恶性疟原虫3D7株 人红细胞 Drosophila S2细胞表达系统 Expi293F细胞表达系统

重点核对

PfRH5CL双重二硫键锁定设计(CC1和CC5)及其功能验证 PfRCR复合物与basigin的结合(使用MST和SPR) 抗PfCyRPA抗体(Cy.003, Cy.004, Cy.007)对PfRCR结合红细胞的阻断作用(FACS) PfRIPR尾部与PfCSS-PfPTRAMP复合物的结合(SPR)

摘要

疟疾的症状发生在感染的血期,此时寄生虫侵入并在人红细胞内复制。包含PfRH5、PfCyRPA、PfRIPR、PfCSS和PfPTRAMP的PfPCRCR复合物对最致命的人类疟原虫——恶性疟原虫入侵红细胞至关重要。针对这些保守蛋白中每一个的抗体或纳米抗体都可以阻止入侵,使它们成为主要的血期疟疾疫苗候选抗原。然而,关于PfPCRCR在入侵过程中的功能知之甚少。在这里,我们展示了通过冷冻电镜确定的包含PfRH5、PfCyRPA和PfRIPR的PfRCR复合物的结构。我们检验了PfRH5开放插入膜的假说,反而表明一个刚性的、二硫键锁定的PfRH5能够介导有效的红细胞入侵。我们通过模型和红细胞结合实验表明,结合PfCyRPA的抗体通过空间位阻机制中和入侵。我们确定了PfRIPR的结构,表明它由一个有序的多结构域核心通过柔性连接到一个细长的尾部组成。我们还表明,PfRIPR的细长尾部是生长中和抗体的靶标,与寄生虫膜上的PfCSS-PfPTRAMP复合物结合。因此,一个模块化的PfRIPR通过其细长尾部连接到裂殖子膜,而其结构核心呈递PfCyRPA和PfRH5以与红细胞受体相互作用。这为红细胞入侵的分子机制提供了新的见解,并为合理疫苗设计的新方法开辟了道路。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
PfRCR复合物在恶性疟原虫入侵红细胞过程中的分子机制是什么?
核心机制
PfRCR复合物通过PfRIPR尾部与寄生虫膜上的PfCSS-PfPTRAMP复合物结合,而PfRH5和PfCyRPA与红细胞受体basigin相互作用,从而在寄生虫和红细胞膜之间形成桥梁。
主要证据
冷冻电镜结构显示PfRH5为刚性结构,二硫键锁定的PfRH5仍能介导高效入侵;表面等离子体共振证明PfRIPR尾部与PfCSS-PfPTRAMP结合;流式细胞术证明抗PfCyRPA抗体通过空间位阻阻断PfRCR与红细胞结合。
研究意义
该研究为理解红细胞入侵的分子机制提供了新见解,并为基于结构的血期疟疾疫苗设计开辟了新途径。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

表达和纯化PfRCR复合物及其组分

获取用于结构研究和功能实验的蛋白样品

在昆虫细胞(S2)和哺乳动物细胞(Expi293F)中表达PfRH5、PfCyRPA、PfRIPR等蛋白,并通过亲和纯化和凝胶过滤得到纯化的PfRCR复合物。

2

冷冻电镜结构解析

确定PfRCR复合物的高分辨率结构

使用Cy.003 Fab稳定PfRCR复合物,通过冷冻电镜收集数据,经过三维分类、局部细化等处理,获得3.0 Å分辨率的复合物结构。

3

PfRH5刚性验证

验证PfRH5在入侵过程中是否需要打开

设计二硫键锁定PfRH5的N-和C-末端一半(PfRH5CL),通过转基因恶性疟原虫条件替换系统表达,检测红细胞入侵效率和钙离子通量。

4

抗体中和机制研究

阐明抗PfCyRPA抗体中和入侵的分子机制

使用流式细胞术检测PfRCR与红细胞的结合,以及加入抗PfCyRPA抗体后的阻断效果。

5

PfRIPR尾部与PfCSS-PfPTRAMP结合

确定PfRIPR与PfCSS-PfPTRAMP复合物的结合位点

通过表面等离子体共振检测PfCSS-PfPTRAMP与全长PfRIPR及PfRIPR尾部的结合亲和力。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
FEI Titan Krios 显微镜Thermo Fisher--
Gatan BioQuantum 能量过滤器Gatan--
K3 直接电子探测器Gatan--
EX-CELL 420 无血清培养基Sigma-Aldrich--
Expi293 表达系统试剂盒Thermo Fisher--
FreeStyle F17 表达培养基Thermo Fisher--
CaptureSelect C-tagXL 树脂Thermo Scientific--
HiTrap Protein G HP 柱Cytiva--
S200 Increase 10/300 柱Cytiva--
S75 Increase 10/300 柱Cytiva--
PD-10 脱盐柱Cytiva--
Amicon Ultra 离心超滤管Millipore--
Ni-NTA 树脂Qiagen--
Super Ni-NTA 树脂Generon--
固定化木瓜蛋白酶Thermo Scientific20341
cOmplete EDTA-free 蛋白酶抑制剂Roche--
Au-Flat 1.2/1.3 载网Protochips--
Orbitrap Fusion Lumos 质谱仪Thermo Fisher Scientific--
1969 MSD-ToF 质谱仪Agilent Technologies--
Agilent 1100 高效液相色谱系统Agilent Technologies--
Zorbax 5 µm 300SB-C3 保护柱Agilent Technologies--
Jasco J-815 分光偏振计Jasco--
Monolith NT.115 微量热泳动仪NanoTemper--
Biacore T200 表面等离子体共振仪Cytiva--
CM5 Series S 传感芯片Cytiva--
α-溶血素Sigma--
Fluo-4AMInvitrogen--
CLARIOstar 酶标仪BMG Labtech--
RPMI-1640 培养基----
SYBR Green ILife Technologies--
AlbuMAXGibco--
DNeasy 血液和组织试剂盒Qiagen--
GoTaq Green 聚合酶Promega--
CloneAmp HiFi 聚合酶Takara--
Immobilon Western 化学发光 HRP 底物Millipore--
S3e 细胞分选仪Bio-Rad--
LSR Fortessa X-20 流式细胞仪BD--
Nikon Ti E 倒置显微镜Nikon--
ORCA Flash 4.0 CMOS 相机Hamamatsu--
μ-Slide VI 0.4 通道载玻片Ibidi--
pDC2-Cas9-hDHFRyFCU 质粒----
pGEM-T Easy 载体Promega--
Alexa Fluor 488Thermo Fisher--
EZ-Link 马来酰亚胺-PEG2-生物素Thermo Scientific21901BID
DSSO 交联剂Thermo Fisher--
TCEP 还原剂Thermo Scientific77720
羟胺Sigma-Aldrich--
测序级修饰胰蛋白酶Promega--
测序级胰凝乳蛋白酶Roche--
抗PfHSP70抗体----
抗PfRh5抗体----
CaptureSelect Alexa Fluor 488 抗C-tag结合物Thermo Scientific7213252100
山羊抗人IgG交叉吸附Alexa Fluor 488二抗InvitrogenA11013

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
冷冻电镜结构解析
PfRCR-Cy.003复合物制备条件(蛋白比例、孵育时间、凝胶过滤柱)
阅读提示:Methods: Structure determination using cryo-EM
PfRH5功能实验
PfRH5CL设计(二硫键位置)和转基因寄生虫生成条件(雷帕霉素浓度、处理时间)
阅读提示:Methods: Design and expression of cysteine-locked PfRH5; P. falciparum culture and transfection; Extended Data Fig. 6
抗体中和实验
抗体浓度(2倍摩尔过量)、CaCl2浓度(1 mM)、检测抗体R5.011浓度
阅读提示:Methods: Flow cytometry analysis of PfRCR binding to erythrocytes; Figure 4d
SPR结合实验
PfCSS-PfPTRAMP浓度(8.0或7.7 µM)、二倍稀释系列、注射时间
阅读提示:Methods: Surface plasmon resonance; Figure 4a