© 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
"Energiecentrale" zonder DNA
May 27, 2019
Algen uit de groep dinoflagellaten hebben hun genetisch materiaal op een ongebruikelijke manier georganiseerd
De cellen van de meeste levende wezens hebben speciale structuren die verantwoordelijk zijn voor de energieproductie. Deze zogenaamde mitochondriën hebben meestal hun eigen genoom, naast dat in de celkern. Uwe John van het Alfred Wegener Instituut (AWI) en zijn collega's hebben nu een tot nu toe unieke uitzondering ontdekt in een eencellige parasiet. De mitochondriën van het dinoflagellaat Amoebophrya ceratii lijken zelfs zonder hun eigen genetisch materiaal goed te functioneren, meldt het team in het tijdschrift Science Advances.
Dinoflagellaten vormen een groot deel van het plankton in de zeeën. Ongeveer de helft van de ongeveer tweeduizend bekende soorten doet aan fotosynthese zoals planten, andere leven roofzuchtig of wisselen, afhankelijk van het aanbod, tussen verschillende diëten. En tot slot heeft deze veelzijdige groep algen ook parasieten in hun gelederen. Met zo'n team heeft het team rond Uwe John nu een kijkje genomen in het genoom - en kwam voor een verrassing te staan.
De onderzoekers hebben hun studieobject gevonden in de cellen van andere dinoflagellaten van het geslacht Alexandrium. Hieronder vallen verschillende soorten die de neiging hebben om in massale ontwikkelingen giftige algenbloei te vormen. Hele tapijten van deze eencelligen drijven soms in het water en produceren het zenuwgif saxitoxine, dat ook gevaarlijk is voor mensen. Maar er zijn parasieten die zulke algenbloei kunnen tegenhouden. Hiertoe behoort een soort die Amoebophrya ceratii heet en waar het huidige onderzoek zich op richtte.
"Deze eencellige organismen zwemmen door het water als zogenaamde dinosporen totdat ze hun gastheer vinden," legt Uwe John uit. Als het zover is, hechten ze zich aan hun slachtoffer, dringen hierin binnen en eten het van binnenuit op. Ze worden steeds groter en vormen een stadium met veel celkernen. Als een worm kruipt het uiteindelijk uit de dode gastheer en breekt in 200 tot 400 nieuwe dinosaurus stekels. Zo'n infectiecyclus duurt slechts drie tot vier dagen en kan de populaties Alexandrium massaal aantasten.
Het team heeft het genoom van de Giftalgenveroveraar gesequenced, dat uit ongeveer 100 miljoen basenparen bestaat. Dat is erg weinig voor een dinoflagellaat. Nu is een klein genoom voor een parasiet niets bijzonders. Veel aanhangers van deze levensstijl produceren niet alle metabolieten die nodig zijn om te overleven zelf, maar maken gebruik van hun gastheren. Hierdoor zijn ze hiervan afhankelijk, maar kunnen ze ook zonder veel genen. Maar Amoebophrya ceratii volgde dit pad niet. "Bij deze soort werken bijna alle stofwisselingsprocessen zo dat ze zichzelf zouden moeten kunnen redden," zegt Uwe John. En hij doet dat met een veel kleiner genoom dan welk ander dinoflagellaat dan ook.
Hij heeft deze verkleining vooral ver doorgevoerd in dat deel van het genoom dat buiten de celkern ligt. Bij planten en algen zit het DNA niet alleen in de mitochondriën, maar ook in de plastiden die ze nodig hebben voor de fotosynthese. Hun genoom is over het algemeen vrij klein bij dinoflagellaten en bestaat uit slechts 14 genen. Amoebophrya ceratii lijkt echter de plastiden en, op één uitzondering na, hun genen volledig te hebben afgeschaft.
Even spectaculairder is het bezuinigingsprogramma dat de parasiet zijn mitochondriën heeft opgelegd. In zijn relatie zitten er nog drie genen in het DNA van deze kleine celkrachtcentrales. Amoebophrya ceratii heeft blijkbaar het hele mitochondriale genoom gered. Ondanks al het nauwgezette zoekwerk vond het team er geen spoor van. Twee genen zijn blijkbaar verdwenen, het derde, cytochroom c oxidase 1 (COX1 of COI), is naar de celkern gemigreerd. "Dat verbaasde me echt," zegt Uwe John, "want tot nu toe is er geen ander zuurstofademend wezen bekend dat geen eigen genetisch materiaal in zijn mitochondriën heeft."
Deze soberheid zou handig kunnen zijn als de parasieten snel veel nieuwe sporen van de dinosaurus moeten maken. "Het is misschien effectiever om alle processen via de celkern te regelen," zegt Uwe John. "Zo kunnen de middelen van de gastheer waarschijnlijk optimaal worden gebruikt." Er zou echter niets gewonnen worden als de energievoorziening instort. Maar dat gevaar lijkt niet te bestaan: De mitochondriën werken goed in alle levensstadia en stellen de dinosauriërs op gastheer zoeken zelfs in staat om snel te zwemmen. "Deze parasieten hebben waarschijnlijk hun eigen manier gevonden om energie op te wekken," zegt Uwe John. "Ze hebben slechts een deel van de vijf bekende eiwitcomplexen nodig die overal in de mitochondria van mensen en alle dieren voorkomen om energie te produceren."
De onderzoekers hopen dat deze bevindingen helpen om de evolutie van dinoflagellaten en hun verwanten als geheel beter te begrijpen. Dat zou ook interessant zijn omdat de verwantschap van deze algen ook andere parasieten en de veroorzakers van ziekten zoals malaria omvat. Daarnaast zouden de resultaten nieuwe inzichten kunnen geven in de geschiedenis van mitochondriën en plastiden. Beide waren oorspronkelijk onafhankelijke wezens die van oudsher werden opgeslokt door andere eencellige organismen en daarin voortleefden als zogenaamde endosymbionten. In de loop der tijd hebben ze hun genetisch materiaal verkleind en zijn ze de dienstverleners geworden van cellen die alleen niet meer levensvatbaar zijn. Deze ontwikkeling heeft Amoebophrya ceratii echter tot het uiterste gedreven en heeft ook zijn endosymbionten beroofd van de restanten van hun genetische autonomie.