© Watercolor image of a healthy dinoflagellate Alexandrium (left) and one affected by Amoebophrya (right), (c) Yameng Lu
© Watercolor image of a healthy dinoflagellate Alexandrium (top right), one of Amoebophrya infested (left) and the worm-shaped parasite that breaks through the cell wall of the host (bottom right), (c) Yameng Lu
© A healthy dinoflagellate of the genus Alexandrium, (c) Yameng Lu
© Alexandrium infested by Amoebophrya, (c) Yameng Lu
"Kraftværk" uden DNA
May 27, 2019
Alger fra gruppen af dinoflagellater har organiseret deres genetiske materiale på en usædvanlig måde
De fleste levende tings celler har særlige strukturer, der er ansvarlige for energiproduktionen. Disse såkaldte mitokondrier har normalt deres eget genom, ud over det i kernen. Uwe John fra Alfred Wegener Institute (AWI) og hans kolleger har nu afsløret en hidtil unik undtagelse i en encellet parasit. Mitokondrierne af dinoflagellaten Amoebophrya ceratii ser ud til at fungere ordentligt selv uden deres eget genetiske materiale, rapporterer holdet i tidsskriftet Science Advances.
Dinoflagellater udgør en stor del af planktonet i havene. Omkring halvdelen af de omkring to tusinde kendte arter praktiserer fotosyntese som planter, andre lever rovdyr eller skifter, afhængigt af tilbuddet, mellem forskellige diæter. Og endelig har denne alsidige algegruppe også parasitter i deres rækker. Med sådan et hold har holdet omkring Uwe John nu taget et kig ind i genomet - og oplevet en overraskelse.
Forskerne har fundet deres undersøgelsesobjekt i cellerne i andre dinoflagellater af slægten Alexandrium. Dette omfatter flere arter, der har tendens til at danne giftige algeopblomstringer i masseudvikling. Hele tæpper fra disse encellede organismer driver nogle gange i vandet og producerer nervegiften saxitoxin, som også er farlig for mennesker. Men der er parasitter, der kan dæmme op for sådanne algeopblomstringer. Disse omfatter en art kaldet Amoebophrya ceratii, som var fokus for den aktuelle undersøgelse.
"Disse encellede organismer svømmer gennem vandet som såkaldte dinosporer, indtil de finder deres vært," forklarer Uwe John. Når tiden kommer, knytter de sig til deres offer, trænger ind i dette og spiser det indefra og op. De bliver større og større og danner et stadie med mange cellekerner. Som en orm kravler den endelig ud af den døde vært og bryder ind i 200 til 400 nye dinosaurrygsøjler. Sådan en infektionscyklus varer kun tre til fire dage og kan massivt påvirke Alexandrium-populationerne.
Teamet har sekventeret genomet af Giftalgen-erobreren, som består af omkring 100 millioner basepar. Det er meget lidt for en dinoflagellat. Nu er et lille genom til en parasit ikke noget særligt. Mange tilhængere af denne livsstil producerer ikke selv alle de metabolitter, der er nødvendige for at overleve, men bruger deres værter. Det gør dem afhængige af disse, men kan også undvære mange gener. Men Amoebophrya ceratii fulgte ikke denne vej. "Hos denne art virker næsten alle stofskifteprocesser, så de skal kunne klare sig selv," siger Uwe John. Og det gør den med et meget mindre genom end nogen anden dinoflagellat.
Det har drevet denne reduktion særligt langt i den del af genomet, der ligger uden for cellekernen. I planter og alger findes DNA ikke kun i mitokondrierne, men også i de plastider, som de har brug for til fotosyntesen. Deres genom er generelt ret lille med dinoflagellater og består kun af 14 gener. Amoebophrya ceratii ser dog ud til fuldstændigt at have afskaffet plastiderne og, med én undtagelse, deres gener.
Endnu mere spektakulært er det spareprogram, som parasitten har pålagt sine mitokondrier. I hans forhold er der stadig tre gener i DNA'et fra disse småcellekraftværker. Amoebophrya ceratii har tilsyneladende reddet hele mitokondrielle genom. På trods af alt det omhyggelige eftersøgningsarbejde fandt holdet ingen spor af det. To gener er tilsyneladende forsvundet, det tredje, cytochrom c-oxidase 1 (COX1 eller COI), er migreret ind i kernen. "Det overraskede mig virkelig," siger Uwe John, "fordi der hidtil ikke er kendt noget andet iltåndende væsen, som ikke har sit eget genetiske materiale i sine mitokondrier."
Denne stramning kunne være praktisk, hvis parasitterne nødt til hurtigt at skabe mange nye dinosaursporer. "Det kan være mere effektivt at regulere alle processer via kernen," siger Uwe John. "Så sandsynligvis kan værtens ressourcer bruges bedst muligt." Der ville dog ikke være noget, hvis energiforsyningen kollapsede. Men faren ser ikke ud til at eksistere: Mitokondrierne fungerer godt i alle livets stadier og tillader dinosaurerne på værtssøgning selv en hurtig svømmetur. "Disse parasitter har sandsynligvis fundet deres egen måde at generere energi på," siger Uwe John. "De kræver kun en del af de fem kendte proteinkomplekser, der findes overalt i mitokondrierne hos mennesker og alle dyr for at producere energi."
Forskerne håber, at disse resultater vil hjælpe til bedre at forstå udviklingen af dinoflagellater og deres pårørende som helhed. Det ville også være interessant, fordi slægtskabet til disse alger også omfatter andre parasitter og årsagerne til sygdomme som malaria. Derudover kunne resultaterne give ny indsigt i mitokondriers og plastiders historie. Begge var oprindeligt selvstændige væsner, der blev slugt af andre encellede organismer i umindelige tider og levede videre i dem som såkaldte endosymbionter. Med tiden har de krympet deres genetiske materiale og er blevet serviceudbydere af celler, der ikke længere er levedygtige alene. Denne udvikling har imidlertid taget Amoebophrya ceratii til ekstremer og har også frataget dens endosymbionts resterne af deres genetiske autonomi.