© 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
"Centrale elettrica" senza DNA
May 27, 2019
Le alghe del gruppo dei dinoflagellati hanno organizzato il loro materiale genetico in modo insolito
Le cellule della maggior parte degli esseri viventi hanno strutture speciali che sono responsabili della produzione di energia. Questi cosiddetti mitocondri hanno solitamente un proprio genoma, oltre a quello del nucleo. Uwe John dell'Alfred Wegener Institute (AWI) e i suoi colleghi hanno scoperto un'eccezione finora unica in un parassita unicellulare. I mitocondri della dinoflagellata Amoebophrya ceratii sembrano funzionare correttamente anche senza il loro materiale genetico, riporta il team nella rivista Science Advances.
I dinoflagellati costituiscono gran parte del plancton dei mari. Circa la metà delle circa duemila specie conosciute pratica la fotosintesi come le piante, altre vivono in modo predatorio o, a seconda dell'offerta, passano da una dieta all'altra. Infine, questo versatile gruppo di alghe conta anche dei parassiti. Con un team di questo tipo, l'équipe di Uwe John ha dato un'occhiata al genoma - e ha avuto una sorpresa.
I ricercatori hanno trovato il loro oggetto di studio all'interno delle cellule di altri dinoflagellati del genere Alexandrium. Tra questi vi sono diverse specie che tendono a formare fioriture algali tossiche negli sviluppi di massa. Interi tappeti di questi organismi unicellulari a volte vanno alla deriva nell'acqua e producono il veleno nervino saxitossina, pericoloso anche per gli esseri umani. Esistono però dei parassiti che possono arginare queste fioriture algali. Tra questi c'è una specie chiamata Amoebophrya ceratii, che è stata al centro dello studio attuale.
"Questi organismi unicellulari nuotano nell'acqua sotto forma di cosiddette dinospore finché non trovano il loro ospite", spiega Uwe John. Quando arriva il momento, si attaccano alla vittima, vi penetrano dentro e la mangiano dall'interno. Diventano sempre più grandi e formano uno stadio con molti nuclei cellulari. Come un verme, alla fine striscia fuori dall'ospite morto e si rompe in 200-400 nuovi aculei di dinosauro. Questo ciclo di infezione dura solo tre o quattro giorni e può influenzare massicciamente le popolazioni di Alexandrium.
Il team ha sequenziato il genoma del conquistatore Giftalgen, che consiste in circa 100 milioni di coppie di basi. È davvero poco per una dinoflagellata. Ora, un genoma piccolo per un parassita non è niente di speciale. Molti seguaci di questo stile di vita non producono da soli tutti i metaboliti necessari alla sopravvivenza, ma utilizzano i loro ospiti. Questo li rende dipendenti da questi ultimi, ma possono anche fare a meno di molti geni. Ma Amoebophrya ceratii non ha seguito questa strada. "In questa specie, quasi tutti i processi metabolici funzionano in modo tale da essere in grado di farcela da soli", afferma Uwe John. E lo fa con un genoma molto più piccolo rispetto a quello di qualsiasi altra dinoflagellata.
La riduzione ha riguardato soprattutto la parte del genoma che si trova al di fuori del nucleo della cellula. Nelle piante e nelle alghe, il DNA si trova non solo nei mitocondri ma anche nei plastidi, necessari per la fotosintesi. Nei dinoflagellati il loro genoma è generalmente piuttosto piccolo e consiste in soli 14 geni. Amoebophrya ceratii, tuttavia, sembra aver abolito completamente i plastidi e, con un'eccezione, i loro geni.
Ancora più spettacolare è il programma di austerità che il parassita ha imposto ai suoi mitocondri. Nel suo rapporto, ci sono ancora tre geni nel DNA di queste piccole centrali elettriche cellulari. Amoebophrya ceratii ha apparentemente salvato l'intero genoma mitocondriale. Nonostante il meticoloso lavoro di ricerca, il team non ne ha trovato traccia. Due geni sono apparentemente scomparsi, il terzo, la citocromo c ossidasi 1 (COX1 o COI), è migrato nel nucleo. "Questo mi ha davvero sorpreso", afferma Uwe John, "perché finora non si conosce nessun'altra creatura che respira ossigeno che non abbia il proprio materiale genetico nei mitocondri."
Questa austerità potrebbe essere utile se i parassiti dovessero creare rapidamente molte nuove spore di dinosauro. "Potrebbe essere più efficace regolare tutti i processi attraverso il nucleo", afferma Uwe John. "Così probabilmente le risorse dell'ospite possono essere utilizzate nel modo migliore". Tuttavia, non si otterrebbe nulla se la fornitura di energia dovesse crollare. Ma il pericolo non sembra esistere: I mitocondri funzionano bene in tutte le fasi della vita e permettono ai dinosauri alla ricerca dell'ospite anche una rapida nuotata. "Questi parassiti hanno probabilmente trovato il loro modo di generare energia", afferma Uwe John. "Richiedono solo una parte dei cinque complessi proteici noti che si trovano nei mitocondri degli esseri umani e di tutti gli animali per produrre energia."
I ricercatori sperano che queste scoperte aiutino a comprendere meglio l'evoluzione dei dinoflagellati e dei loro parenti nel loro complesso. Sarebbe interessante anche perché la parentela di queste alghe comprende anche altri parassiti e agenti causali di malattie come la malaria. Inoltre, i risultati potrebbero fornire nuovi spunti sulla storia dei mitocondri e dei plastidi. Entrambi erano in origine creature indipendenti che, da tempo immemorabile, venivano ingerite da altri organismi unicellulari e vivevano al loro interno come cosiddetti endosimbionti. Nel corso del tempo, hanno ridotto il loro materiale genetico e sono diventati i fornitori di servizi delle cellule che non sono più vitali da sole. Questo sviluppo, tuttavia, ha portato Amoebophrya ceratii all'estremo e ha anche privato i suoi endosimbionti dei resti della loro autonomia genetica.