© 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
“Elektrana” bez DNK
May 27, 2019
Alge iz skupine dinoflagelata svoj su genetski materijal organizirale na neobičan način
Stanice većine živih bića imaju posebne strukture koje su odgovorne za proizvodnju energije. Ti takozvani mitohondriji obično imaju svoj vlastiti genom, osim onog u jezgri. Uwe John s Instituta Alfred Wegener (AWI) i njegovi kolege sada su otkrili dosad jedinstvenu iznimku u jednostaničnom parazitu. Čini se da mitohondriji dinoflagelata Amoebophrya ceratii ispravno funkcioniraju čak i bez vlastitog genetskog materijala, izvještava tim u časopisu Science Advances.
Dinoflagelati čine veliki dio planktona u morima. Otprilike polovica od oko dvije tisuće poznatih vrsta prakticira fotosintezu poput biljaka, druge žive predatorski ili, ovisno o ponudi, mijenjaju različite vrste prehrane. I konačno, ova svestrana skupina algi u svojim redovima ima i parazite. S takvim timom, tim oko Uwe Johna sada je zavirio u genom - i doživio iznenađenje.
Istraživači su svoj predmet proučavanja pronašli unutar stanica drugih dinoflagelata iz roda Alexandrium. To uključuje nekoliko vrsta koje su sklone stvaranju otrovnih cvjetova algi u masovnom razvoju. Cijeli tepisi tih jednostaničnih organizama ponekad plutaju u vodi i proizvode nervni otrov saksitoksin, koji je također opasan za ljude. Ali postoje paraziti koji mogu zaustaviti takvo cvjetanje algi. To uključuje vrstu nazvanu Amoebophrya ceratii, koja je bila fokus trenutne studije.
"Ovi jednostanični organizmi plivaju kroz vodu kao takozvane dinospore dok ne pronađu svog domaćina", objašnjava Uwe John. Kad dođe vrijeme, oni se vežu za svoju žrtvu, prodiru u nju i jedu je iznutra prema gore. One postaju sve veće i veće i tvore stadij s mnogo staničnih jezgri. Poput crva, konačno ispuzava iz mrtvog domaćina i lomi se u 200 do 400 novih dinosaurovih bodlji. Takav ciklus infekcije traje samo tri do četiri dana i može masovno utjecati na populaciju Aleksandrija.
Tim je sekvencionirao genom osvajača Giftalgena, koji se sastoji od oko 100 milijuna parova baza. To je vrlo malo za dinoflagelate. Sada, mali genom za parazita nije ništa posebno. Mnogi sljedbenici ovakvog načina života ne proizvode sami sve metabolite potrebne za preživljavanje, već koriste svoje domaćine. To ih čini ovisnima o njima, ali mogu i bez mnogih gena. Ali Amoebophrya ceratii nije slijedila ovaj put. "Kod ove vrste gotovo svi metabolički procesi funkcioniraju tako da bi se one trebale moći same nositi", kaže Uwe John. I to čini s mnogo manjim genomom od bilo kojeg drugog dinoflagelata.
Potjerao je ovo smanjenje posebno daleko u onom dijelu genoma koji se nalazi izvan stanične jezgre. U biljkama i algama DNK se nalazi ne samo u mitohondrijima nego iu plastidima koji su im potrebni za fotosintezu. Njihov genom je općenito prilično malen kod dinoflagelata i sastoji se od samo 14 gena. Međutim, čini se da je Amoebophrya ceratii u potpunosti ukinula plastide i, uz jednu iznimku, njihove gene.
Još je spektakularniji program štednje koji je parazit nametnuo svojim mitohondrijima. U njegovoj vezi još uvijek postoje tri gena u DNK ovih malih staničnih elektrana. Amoebophrya ceratii je očito spasila cijeli genom mitohondrija. Unatoč svoj pažljivoj potrazi, tim nije pronašao nikakav trag. Dva gena su očito nestala, treći, citokrom c oksidaza 1 (COX1 ili COI), migrirao je u jezgru. "To me jako iznenadilo", kaže Uwe John, "jer do sada nije poznato nijedno drugo stvorenje koje udiše kisik a da nema vlastiti genetski materijal u svojim mitohondrijima."
Ova bi štednja mogla biti korisna ako paraziti moraju brzo stvoriti mnogo novih spora dinosaura. "Možda bi bilo učinkovitije regulirati sve procese putem jezgre", kaže Uwe John. "Dakle, vjerojatno se resursi domaćina mogu iskoristiti na najbolji mogući način." Međutim, ništa se ne bi dobilo da dođe do kolapsa opskrbe energijom. No čini se da opasnost ne postoji: mitohondriji dobro funkcioniraju u svim fazama života i dinosaurima koji traže domaćina omogućuju čak i brzo plivanje. "Ti paraziti su vjerojatno pronašli vlastiti način za stvaranje energije", kaže Uwe John. "Za proizvodnju energije potreban im je samo dio od pet poznatih proteinskih kompleksa koji se nalaze u mitohondrijima ljudi i svih životinja."
Istraživači se nadaju da će ova otkrića pomoći da se bolje razumije evolucija dinoflagelata i njihovih rodbina u cjelini. To bi također bilo zanimljivo jer srodstvo ovih algi uključuje i druge parazite i uzročnike bolesti poput malarije. Osim toga, rezultati bi mogli pružiti nove uvide u povijest mitohondrija i plastida. Obojica su izvorno bila neovisna stvorenja koja su od pamtivijeka progutali drugi jednostanični organizmi i živjeli u njima kao takozvani endosimbionti. S vremenom su smanjili svoj genetski materijal i postali pružatelji usluga stanicama koje same više nisu održive. Taj je razvoj, međutim, doveo Amoebophrya ceratii do ekstrema i lišio njezine endosimbionte ostataka njihove genetske autonomije.