疟疾是一种由疟原虫引起的致命性寄生虫病，至今仍是全球重大的公共卫生挑战。疟原虫作为一种顶复门单细胞真核生物，其细胞分裂方式与经典的模型生物有着根本性的不同。这种寄生虫的生命周期包括在脊椎动物宿主红细胞内进行的快速无性裂殖体增殖（裂殖生殖），以及在蚊子中肠内雄性配子体进行的极速雄性配子形成（雄性配子生殖），后者可在8分钟内完成从单倍体到八倍体核的复制，堪称真核生物中最快的有丝分裂。这种非典型分裂过程依赖于一个双分体微管组织中心（MTOC），并缺乏如Polo激酶等经典调控因子。然而，驱动这种独特分裂过程的核心分子机制，尤其是如何协调纺锤体组装、染色体分离和胞质分裂，在很大程度上仍然是一个谜。
为了解答这些问题，一个国际研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了一项研究，深入探究了疟原虫Aurora相关激酶1（ARK1）的功能。研究人员综合利用条件性基因敲除、高分辨率活细胞成像、超微结构扩展显微镜（U-ExM）和蛋白质相互作用组学分析等技术，在人类疟原虫（Plasmodium falciparum）和啮齿动物疟原虫（P. berghei）两个模型中系统研究了ARK1在无性裂殖和雄性配子生殖阶段的作用。
研究中应用的关键技术方法
研究团队首先构建了条件性基因敲除或敲低的疟原虫转基因品系：在P. falciparum中，使用雷帕霉素诱导的二聚化Cre重组酶（DiCre）系统对PfARK1进行条件性敲除；在P. berghei中，则采用启动子捕获策略，用ama1基因的启动子替换ark1的自身启动子，实现了在配子体阶段对PbARK1的条件性敲低。为了精确观测ARK1的动态定位和细胞结构变化，研究人员运用了高分辨率活细胞成像和超微结构扩展显微镜（U-ExM）技术，结合针对特定标签（如HA、GFP）或细胞结构（如微管蛋白、中心蛋白）的免疫荧光染色，详细解析了ARK1在分裂过程中的时空分布及其与纺锤体、动粒、MTOC等结构的关系。此外，通过GFP陷阱（GFP-Trap）免疫共沉淀结合质谱分析，他们系统鉴定了ARK1在不同生活史阶段的相互作用蛋白质组，从而揭示了其功能复合体。
研究结果
ARK1 is present in asexual stage parasites undergoing mitotic division
通过在裂殖生殖阶段对P. falciparumARK1进行定位研究，研究人员发现ARK1仅在滋养体和裂殖体阶段表达，并特异性定位于有丝分裂纺锤体的两端，与复制的中心蛋白焦点共定位，提示其与内部MTOC和纺锤体极的组装密切相关。
PbARK1 is located in the nucleoplasm, at the spindle poles and along microtubules during male gametogony
在P. berghei的雄性配子生殖过程中，活细胞成像显示PbARK1-GFP在激活后迅速从核质中的弥散状态聚集到核内的单个焦点，随后形成弧状结构并分裂为两个对立的点，最终在三次快速核分裂后形成八个离散的焦点。该动态过程与纺锤体形成和MTOC分裂同步。超高分辨率显微镜（3D-SIM）和U-ExM证实，PbARK1与纺锤体标记蛋白ARK2部分共定位，并与动粒标记蛋白NDC80在纺锤体处存在关联，但与细胞质中的轴丝蛋白kinesin-8B不共定位，表明其特异性地定位于纺锤体极和内部MTOC。
PfARK1 regulates spindle formation and karyokinesis
条件性敲除PfARK1导致寄生虫生长严重缺陷。U-ExM分析显示，ARK1缺失的寄生虫纺锤体形成异常，微管蛋白染色呈斑点状或不完整，中心体焦点聚集且与未分离的核相关，表明纺锤体组装和核分裂（核分裂）受到破坏。
PfARK1 depletion impairs segmentation of daughter merozoites
进一步的分析表明，PfARK1的缺失还影响了子代裂殖子的分割。免疫荧光和U-ExM显示，缺失ARK1的裂殖体要么缺乏子代裂殖子表面标记蛋白MSP1和内膜复合体蛋白GAP45的标记，要么出现包绕多个未分离核的大型异常轮廓，亚膜微管也出现错位。延时显微镜观察发现，虽然PfARK1缺失的裂殖体仍能从红细胞中释放，但释放出的裂殖子会聚集在一起或附着在残留体上，无法正常分散，这表明胞质分裂（细胞质分裂）存在缺陷。
PbARK1 knockdown reveals an essential role during male gametogony and parasite transmission
对P. berghei中ark1进行启动子捕获敲低后，雄性配子生殖严重受损，表现为出丝中心数量显著减少，卵囊转化率下降。蚊子感染实验表明，敲低株形成的卵囊数量和大小均显著低于野生型，且唾液腺中孢子体数量减少，蚊虫叮咬传播实验的成功率极低。这表明ARK1对疟原虫通过蚊子传播至关重要。
ark1PTDparasites have defective spindle formation, MTOC separation, and axoneme formation during male gametogony
U-ExM和透射电镜（TEM）分析揭示了表型背后的细胞学缺陷：在ark1敲低的雄性配子体中，纺锤体长度显著短于野生型，多个MTOC聚集在一起，未能正常分离。此外，基底体从核上脱离，轴丝形成不完全，最终导致鞭毛形成和出丝失败。
PbARK1 is part of a divergent chromosome passenger complex (CPC) with two INCENP paralogues
为了从分子机制上解释ARK1的功能，研究人员进行了蛋白质相互作用组学分析。结果显示，ARK1与两个高度分化的内部着丝粒蛋白（INCENP）旁系同源物——命名为INCENP-A和INCENP-B——形成了稳定的复合物。值得注意的是，该复合物缺乏经典的染色体乘客复合体（CPC）染色质靶向亚基Survivin和Borealin，构成了一个非典型的CPC。比较基因组学分析表明，顶复门生物的INCENP可能通过谱系特异性重复事件独立进化，反映了这一真核生物谱系中CPC架构的进化重连。
研究结论与意义
这项研究综合运用遗传学、细胞生物学和蛋白质组学方法，揭示了疟原虫ARK1激酶在调控非典型有丝分裂中的核心作用。研究发现，ARK1是内部MTOC和纺锤体形成的关键组分，在裂殖生殖和雄性配子生殖阶段均能调控动粒动态、驱动有丝分裂进程。其功能缺失会破坏纺锤体的生物发生、动粒分离、核分裂和胞质分裂，并最终影响寄生虫的传播。
更重要的是，研究首次在疟原虫中阐明ARK1构成了一个非典型染色体乘客复合体（CPC）的催化核心，该复合体包含两个高度分化的INCENP蛋白（INCENP-A和INCENP-B），但缺少经典的Survivin和Borealin亚基。这种独特的复合体架构是顶复门生物有丝分裂机制适应性的关键体现。
这项工作的意义在于：
- 1.
机制认知：深入揭示了疟原虫这一重要人类病原体独特的、快速的有丝分裂调控机制，增进了对真核生物细胞分裂多样性的理解。
- 2.
药物靶点：明确了ARK1及其与INCENP的相互作用界面是潜在的多阶段抗疟药物靶点。鉴于ARK1在寄生虫生命周期的两个关键增殖阶段都不可或缺，针对此靶点的抑制剂有望同时阻断疟原虫在人体内的无性增殖和在蚊体内的有性生殖，从而有效控制疾病传播。
- 3.
进化视角：研究展示了关键细胞周期调控模块（如CPC）在进化过程中如何被“重新布线”（rewired），以适应特定的生物学需求，为研究其他寄生虫及真核生物的细胞分裂进化提供了范例。
综上所述，本研究不仅阐明了疟原虫ARK1在协调非典型有丝分裂中的关键功能，还揭示了一个独特的、由ARK1–INCENP-A/B组成的非经典染色体乘客复合体，为开发新型抗疟策略奠定了重要的分子基础。
