© 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
"תחנת כוח" ללא DNA
May 27, 2019
אצות מקבוצת הדינופלגלטים ארגנו את החומר הגנטי שלהן בצורה בלתי רגילה
לתאים של רוב היצורים החיים יש מבנים מיוחדים שאחראים על הפקת אנרגיה. למיטוכונדריה אלה יש בדרך כלל גנום משלהם, בנוסף לזה שבגרעין. Uwe John ממכון אלפרד וגנר (AWI) ועמיתיו חשפו כעת חריג ייחודי עד כה בטפיל חד-תאי. נראה שהמיטוכונדריה של הדינופלגלאט Amoebophrya ceratii מתפקדים כראוי גם ללא החומר הגנטי שלהם, מדווח הצוות בכתב העת Science Advances.
דינופלגללטים מהווים חלק גדול מהפלנקטון בים. כמחצית מכאלפיים המינים המוכרים עוסקים בפוטוסינתזה כמו צמחים, אחרים חיים טורפים או, בהתאם להצעה, עוברים בין דיאטות שונות. ולבסוף, לקבוצת האצות המגוונת הזו יש גם טפילים בשורותיהן. עם צוות כזה, הצוות סביב Uwe John בחן כעת את הגנום - וחווה הפתעה.
החוקרים מצאו את אובייקט המחקר שלהם בתוך תאים של דינופלגלטים אחר מהסוג אלכסנדריום. זה כולל כמה מינים הנוטים ליצור פריחת אצות רעילה בפיתוחים המוניים. שטיחים שלמים מהאורגניזמים החד-תאיים הללו נסחפים לפעמים במים ומייצרים את רעל העצבים סקסיטוקסין, המסוכן גם לבני אדם. אבל יש טפילים שיכולים לבלום פריחת אצות כזו. אלה כוללים מין בשם Amoebophrya ceratii, שהיה במוקד המחקר הנוכחי.
"האורגניזמים החד-תאיים הללו שוחים במים כדינוספורים כביכול עד שהם מוצאים את המארח שלהם", מסביר אוה ג'ון. כשמגיע הזמן, הם מתחברים לקורבן שלהם, חודרים לתוכו ואוכלים אותו מבפנים למעלה. הם הולכים וגדלים ויוצרים שלב עם גרעיני תאים רבים. כמו תולעת, היא זוחלת לבסוף מתוך המארח המת ופורצת ל-200 עד 400 קוצי דינוזאורים חדשים. מחזור כזה של זיהום נמשך רק שלושה עד ארבעה ימים ויכול להשפיע באופן מסיבי על אוכלוסיות אלכסנדריום.
הצוות רצף את הגנום של כובש גיטלגן, המורכב מכ-100 מיליון זוגות בסיסים. זה מעט מאוד עבור דינופלגלאט. עכשיו, גנום קטן לטפיל אינו משהו מיוחד. חסידים רבים של אורח חיים זה אינם מייצרים את כל המטבוליטים הדרושים להישרדות בעצמם, אלא משתמשים במארחים שלהם. זה הופך אותם לתלויים באלה, אבל יכולים גם להסתדר בלי הרבה גנים. אבל Amoebophrya ceratii לא הלכה בדרך זו. "במין זה, כמעט כל התהליכים המטבוליים פועלים כך שהם צריכים להיות מסוגלים להתמודד בעצמם", אומר אוווה ג'ון. וזה עושה את זה עם גנום קטן בהרבה מכל דינופלגלאט אחר .
זה הניע את ההפחתה הזו רחוק במיוחד באותו חלק של הגנום שנמצא מחוץ לגרעין התא. בצמחים ובאצות, ה-DNA נמצא לא רק במיטוכונדריה אלא גם בפלסידים הדרושים להם לפוטוסינתזה. הגנום שלהם הוא בדרך כלל די קטן עם דינופלגלטים ומורכב מ-14 גנים בלבד. עם זאת, נראה כי Amoebophrya ceratii ביטלה לחלוטין את הפלסטידים, ולמעט חריג אחד, את הגנים שלהם.
מרהיבה עוד יותר היא תוכנית הצנע שהטפיל כפה על המיטוכונדריה שלו. במערכת היחסים שלו, ישנם עדיין שלושה גנים ב-DNA של תחנות הכוח של תאים קטנים אלה. Amoebophrya ceratii כנראה הצילה את כל הגנום המיטוכונדריאלי. למרות כל עבודת החיפוש המדוקדקת, הצוות לא מצא לכך זכר. שני גנים ככל הנראה נעלמו, השלישי, ציטוכרום c אוקסידאז 1 (COX1 או COI), היגר לתוך הגרעין. "זה באמת הפתיע אותי", אומר אוה ג'ון, "מכיוון שעד כה לא ידוע על יצור אחר נושם חמצן שאין לו חומר גנטי משלו במיטוכונדריה שלו."
הצנע הזה יכול להיות שימושי אם הטפילים צריך ליצור במהירות נבגי דינוזאורים חדשים רבים. "זה עשוי להיות יעיל יותר לווסת את כל התהליכים דרך הגרעין", אומר אוווה ג'ון. "אז כנראה שניתן להשתמש במשאבים של המארח בצורה הטובה ביותר." עם זאת, שום דבר לא יושג אם אספקת האנרגיה תקרוס. אבל נראה שהסכנה לא קיימת: המיטוכונדריה פועלת היטב בכל שלבי החיים ומאפשרת לדינוזאורים בחיפוש מארח אפילו שחייה מהירה. "הטפילים האלה כנראה מצאו את הדרך שלהם לייצר אנרגיה", אומר אוווה ג'ון. "הם דורשים רק חלק מחמשת מתחמי החלבון הידועים שנמצאים בכל המיטוכונדריה של בני אדם ושל כל בעלי החיים כדי לייצר אנרגיה."
החוקרים מקווים שממצאים אלו יסייעו להבין טוב יותר את האבולוציה של דינופלגלטים ושלהם. קרובי משפחה בכללותם. זה גם יהיה מעניין כי הקרבה של אצות אלה כוללת גם טפילים אחר וגורמים למחלות כמו מלריה. בנוסף, התוצאות יכולות לספק תובנות חדשות על ההיסטוריה של המיטוכונדריה והפלסטידים. שניהם היו במקורם יצורים עצמאיים שנבלעו על ידי אורגניזמים חד-תאיים אחר מאז ומעולם וחיו בהם בתור מה שנקרא אנדוסימביונטים. עם הזמן, הם כיווצו את החומר הגנטי שלהם והפכו לספקי השירות של תאים שכבר אינם ברי קיימא לבדם. אולם התפתחות זו לקחה את Amoebophrya ceratii לקיצוניות וגם שללה מהאנדוסימביונטים שלה את שאריות האוטונומיה הגנטית שלהם.