疟疾遗传学

**章 疟疾简史 疟疾（ malaria）俗称打摆子、瘴气病、冷热病或间歇热，是疟原虫（ Plasmodium）寄生于人体所引起的疾病。疟原虫在雌性按蚊吸血时进入蚊胃，经过发育繁殖，在蚊唾液腺内形成大量的感染性子孢子。当雌性按蚊再次叮人时，蚊唾液里的子孢子就被注入人的皮肤组织内，可穿过微血管壁，随血液到达肝脏。疟原虫侵入肝细胞后完成裂体增殖，产生数以万计的裂殖子，离开肝细胞后进入血液，对红细胞进行一轮又一轮的侵入和繁殖，当血液中的疟原虫达到一定数量后，就会引起疟疾发作。 疟疾发作的典型症状包括发冷、发热、出汗3个连续阶段，经过一段间歇期后再次发作。发作周期对应于疟原虫在红细胞内完成一轮增殖的时间，可为间日、三日或周期不定的发作。多次发作和经过治疗后，疟原虫逐渐被人体清除，疟疾症状随之停止。但如果有残存的虫体，还会在一段时间后重新繁殖，引起疟疾的复发。重症疟疾包括脑型疟、严重贫血、呼吸窘迫等症状，虽只占临床病例的2%，但病情凶险，尤其是脑型疟造成了90%的疟疾患者死亡，因此必须立即救治。 疟疾曾在世界范围内流行，目前仍位列热带病之首，主要流行于非洲、南亚、东南亚、中东和南美等地区。世界卫生组织（ World Health Organization，WHO）将疟疾、结核病和艾滋病列为全球三大公共卫生问题，每年发布《世界疟疾报告》。2017年全球疟疾发病人数为2.19亿人，死亡43.5万人，其中非洲的病例占93%，5岁以下婴幼患儿约占60%。2017年疟疾的防治经费达31亿美元，全球仍有31亿人受到疟疾的威胁。 疟原虫有近300个种和亚种，分别感染爬行类、鸟类和哺乳类动物。感染人体的疟原虫有5种，分别引起恶性疟、间日疟、三日疟、卵形疟和诺氏疟，其中以恶性疟*常见，目前约占90%，其次为间日疟，其他疟疾少见。疟原虫必须生活在宿主体内，不能通过空气、水、食物、土壤、接触等方式传播，只能靠血液传输来感染新宿主。人体疟原虫的传播媒介是某些种类的雌性按蚊，因此，避免蚊虫叮咬和消灭传疟按蚊是防止疟疾传播的关键措施。 人体疟原虫的生活史和遗传机制很复杂，需要依次生活在雌性按蚊的胃腔、胃壁和唾液腺内，然后依次侵入人的血液、肝细胞和红细胞内，才能完成其配子生殖、孢子增殖和裂体增殖的世代交替。疟原虫在发育中产生很多种不同形态的虫体，自1880年 Laveran发现疟原虫和1897年 Ross证明疟疾通过蚊媒传播以来，经过一个多世纪的研究，人们才逐渐认清了疟原虫的生物学基础和疟疾发病的内在机制。而在此之前，疟原虫早已对人类产生了深远的影响。 **节 早期人类疟疾 在漫长的人类历史中，疟疾带来的痛苦和死亡可能超过了其他任何疾病。据估计，早期人类可能有50%死于疟疾。遗传学研究揭示，疟原虫在某种意义上改变了人类的遗传、进化和迁徙的历史，并在人体的基因组中留下了清晰的印记。 一、疟疾溯源 有学者推测，疟原虫的始祖可能是一种浮游的单细胞藻类，常附在水中蚊虫的体表。雌蚊吸血时，这些藻类常常落入动物伤口中，然后死去，但这种藻类终于有一次在动物伤口处活了下来，演变为嗜血寄生虫。*早的疟原虫化石记录可以追溯到3000万年前，因为在那时形成的一些琥珀中，发现蚊的胃壁上有几个类似疟原虫卵囊的寄生物。 疟原虫与智人的**次接触可能发生在20多万年前的部落火堆旁，此前的“人体疟原虫”由猿类和古人类供养。*早的人类疟疾是三日疟，三日疟原虫对人体并不适应，只能感染血液中不到1%的衰老红细胞，虫体发育缓慢，潜伏期长，只有在夏季，当蚊虫的体温超过20℃时，三日疟原虫才能在蚊的寿限之内勉强发育出感染性子孢子。遗传学研究表明，三日疟原虫是*早的人体疟原虫，由于它们的适应机制不够完善，一直以来只能勉强维持着物种不被灭绝。 间日疟原虫在气温逐渐升高的冰河期之末出现，并进化出新型蛋白质，能有效侵入人类的幼红细胞，感染后只需3天就能产生感染性配子体，蚊虫期发育也较短。间日疟原虫对早期人类宿主进行了残酷的筛选，使很多部落灭绝。到了大约6万年前，少数非洲人发生了 Duffy抗原的阴性突变，使红细胞的表面更平滑，各种疟原虫难以侵入。这些 Duffy抗原阴性人群在非洲获得了生存优势，并扩展到阿拉伯半岛和中亚。从大约1万年前开始，由于 Duffy阴性抗原的普及，间日疟退出非洲，使非洲处于数千年无疟疾的平静状态。 在非洲之外，大多数人是 Duffy抗原阳性，间日疟广泛流行。有人认为，早期 Duffy抗原阳性人群向北迁移，动力之一就是为了到更冷的地方去躲避疟疾。在温带，按蚊体内的疟原虫熬不过冬天，但间日疟原虫和卵形疟原虫进化出休眠子，可在肝细胞内休眠数月，然后在气候转暖后启动生长繁殖，导致疟疾的复发和传播。间日疟原虫可以长期折磨被感染者，常在夏秋季节引起疟疾的暴发性流行。 恶性疟在4000多年前兴起于非洲中部的雨林村落。当地的班图人不养牲口，而是毁林种植地瓜和大蕉，导致阳光直射的地面上杂草丛生。一种按蚊来到地面的雨水洼里产卵，避开了林中的天敌，得以大量孳生。随着村落人口增多，这种按蚊演变成专门吸人血的新蚊种，称为冈比亚按蚊。恶性疟原虫原来缺少蚊媒，经过适应性改变后，转而以冈比亚按蚊为宿主，并攻克了非洲人的 Duffy抗原防御。恶性疟原虫不仅感染力很强，而且免疫逃避机制多样化，因而致死率很高。非洲人在经历了数千年无疟疾的平静之后，恶性疟原虫的兴起又给他们带来了更大的灾难。 二、古代疟疾 自从有了文字以后，各文明古国都有关于疟疾的大量记载。这些早期描述虽不可能道出疟疾的真正病因，但已能清晰分辨疟疾患者的症状，并知道疟疾常发生在温暖潮湿地带，某些文献还给出了有关疟疾防治方法有价值的信息。 苏美尔和古埃及的疟疾记载可以追溯到4700年前，苏美尔人认为疟疾是由“瘟疫之神”涅伽尔带来的。至今保存*早的疟疾病例是两具3500年前的木乃伊。经 DNA及计算机断层扫描（ CT）检查揭示，公元前14世纪的图坦卡蒙法老并非死于传说中的谋杀，而是死于疟疾。 古印度人在3500年前就称疟疾为疾病之王塔克曼。吠陀圣人在2000多年前对疟疾的描述颇为准确：“冷酷的塔克曼使人战栗，继而高热，让人畏惧，他可能第二天回来，或第三天回来，或第四天回来。”印度是疟疾的重灾区，1942年疟疾患者曾多达1亿人，20世纪50年代的抗疟疾运动曾取得短期成功，1961年患者减少到5万例，但1976年又回升到600多万例。2017年印度报告959万例疟疾，占非洲以外疟疾病例的50%。除印度之外，南亚的巴基斯坦、孟加拉国、斯里兰卡、尼泊尔和邻近的东南亚地区也是传统的疟疾多发地区。 古希腊人很早就知道间歇热常在收获季节暴发，诗人荷马称之为“罪恶之星（天狼星）的热病诅咒”。医学之父希波克拉底将间歇热描述为“沼泽地区的常见病”，并分为第三日发热（间日疟）和第四日发热（三日疟）两种类型，还将热病与脾大联系起来。亚里士多德的学生亚历山大曾统一希腊，占领埃及，荡平波斯帝国，远征印度河流域，使古希腊文明得到广泛传播，但他却在33岁死于疟疾。 古罗马的兴衰与疟疾有着密切的关系。始建于2700年前的罗马城一直流行间日疟，本地人对疟疾已形成了一定的免疫力和有效的防治文化，而外来军队攻打罗马时，却屡屡在城外的沼泽地带被疟疾击退，得到疟疾“护佑”的罗马被称为“永恒之城”。然而从公元3世纪开始，繁荣的罗马吸引了地中海南岸开来的大量运输船，逐渐改变了当地的按蚊分布，恶性疟在公元4世纪开始暴发，并迅速击溃了罗马人的免疫力，尤其是儿童和外出劳动者的死亡率很高，罗马周边的农村几乎无人种地，这在一定程度上导致了古罗马的衰落和灭亡。后来意大利人将 mala（恶）和 aria（气）两词合并为 malaria，专指疟疾，这个词在1740年被引入英语。 古印第安人在1.1万年前越过白令海峡进入美洲，由于当地缺少蚊媒，疟原虫无法生存，因此美洲曾是无疟疾的净土。自从哥伦布发现美洲以后，欧洲和非洲的船只将疟原虫和蚊媒带入美洲。据传说，在1630年，秘鲁总督 Chinchón的妻子染上疟疾，印第安人用一种树皮粉治愈了这位夫人，这种树因此被命名为金鸡纳（ Cinchona）。由于疟疾患者众多，树皮被剥光，树皮粉供不应求，金鸡纳树一度濒临绝种。后来荷兰人花了30多年时间，终于在印尼的爪哇岛实现了金鸡纳树的大规模种植，随后垄断了这种药材的全球销售。1820年，法国医生 Pelletier和 Caventou从金鸡纳树皮中提纯了抗疟疾成分奎宁，又名金鸡纳霜。 三、中国古代文献 中国3600年前的殷商甲骨文和青铜器铭文中已有“疟”字，其繁体为“虐”加一个“疒”字头，刻画出疟疾的痛苦。2000多年前成书的《黄帝内经 素问》，篇三十五为疟论，开篇就对疟疾作了精彩的描述：“黄帝问曰：夫痎疟皆生于风，其蓄作有时者何也？岐伯对曰：疟之始发也，先起于毫毛，伸欠乃作，寒慄鼓颔，腰脊俱痛，寒去则内外皆热，头痛如破，渴欲冷饮。”素问的篇三十六为刺疟论，将疟病分为14类，各有其不同的症状和针刺疗法，开篇写道：“足太阳之疟，令人腰痛头重，寒从背起，先寒后热，熇熇暍暍然，热止汗出，难已，刺郄中出血。” 除了《黄帝内经》，在《周礼》《金匮要略》《诸病源候论》《千金方》《痎疟论疏》《瘴疟指南》等古代医书中，均对疟疾的症状、流行和治疗作了较详尽的描述。关于抗疟药方，《神农本草经》有治疟恒山（即常山）的记载，曾被认为是国内外*早的抗疟药，其有效成分常山碱的化学结构在1950年查明。但在更早（公元前168年）的西汉马王堆出土的《五十二病方》中已有青蒿治疾病的记载，因此青蒿可能是*早使用的抗疟药。值得一提的是，东晋葛洪的《肘后备急方》中有“治寒热诸疟方”，第二方即为青蒿方：“青蒿一握。以水二升渍，绞取汁。尽服之。”这为后来研制青蒿素提供了重要启示。 关于“瘧”字，《康熙字典》收录了很多古籍记载，其中包括：《说文解字》虐亦声，鱼约切；《玉篇》或寒或热病；《释名》疟，酷虐也，凡疾或寒或热耳，而此疾先寒后热，两疾似酷虐者也。《礼书纲目》卷五十五，寒热不节，民多疟疾。有趣的是，康熙皇帝本人在1692年御驾亲征噶尔丹时染上疟疾，几乎送命，*后却是用法国传教士从印度带来的金鸡纳粉治愈的。 第二节 疟疾研究历程 古人认为疟疾是恶浊瘴气引起的疾病，直到19世纪末才找到了疟疾的真正病因，又经过一个多世纪的研究，才基本搞清了疟疾的复杂致病机制。进入21世纪以后，得益于分子遗传学和基因组学的新进展，人们对于疟疾有了越来越深入的认识。本节从疟原虫的发现开始，简要介绍疟疾研究的历史、现状和未来方向。 一、疟原虫的发现 1880年11月6日，人类**次在显微镜下看到了疟原虫。法国军医 Alphonse Laveran在阿尔及利亚的部队医院里研究间歇热，他直接用间歇热士兵的新鲜血样进行显微检查，发现了一种新月形的虫体（恶性疟原虫的雌配子体），他还观察到从另一种较圆的虫体中伸出会游动的鞭丝（雄配子出丝现象，图1-1）。他检查了192例患者，在其中的148例患者中发现新月形虫体，而未发现虫体的患者都已经被奎宁治愈。 Laveran因发现疟原虫和锥虫而获得1907年诺贝尔生理学或医学奖。 意大利学者在5年后证实疟原虫的发现，并描述了多种虫体的差异，提出这些寄生虫在红细胞中进行无性繁殖，而人体发热是由红细胞破裂后释放虫体导致的。1890年 Grassi和 Feletti命名了间日疟原虫和三日疟原虫，同年 Sakharov、Marchiafava和 Celli鉴定了恶性疟原虫。至1918年已经知道，人类疟疾是由多种疟原虫侵入红细胞后繁殖而引起的病症，可分为间日疟、三日疟、恶性疟和卵形疟。 图1-1 疟原虫的发现者 Alphonse Laveran和他在1880年描绘的疟原虫 Lavera