© 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
"Elektrownia" bez DNA
May 27, 2019
Algi z grupy bruzdnic zorganizowały swój materiał genetyczny w nietypowy sposób
Komórki większości żywych istot mają specjalne struktury, które są odpowiedzialne za produkcję energii. Te tak zwane mitochondria zwykle mają swój własny genom, oprócz tego w jądrze. Uwe John z Instytutu Alfreda Wegenera (AWI) i jego koledzy odkryli dotychczas unikalny wyjątek w jednokomórkowym pasożycie. Mitochondria bruzdogłowca Amoebophrya ceratii wydają się funkcjonować prawidłowo nawet bez własnego materiału genetycznego, donosi zespół w czasopiśmie Science Advances.
Bruzdogłowce stanowią dużą część planktonu w morzach. Około połowa z około dwóch tysięcy znanych gatunków praktykuje fotosyntezę jak rośliny, inne żyją drapieżnie lub, w zależności od oferty, przełączają się między różnymi dietami. I wreszcie, ta wszechstronna grupa glonów ma również w swoich szeregach pasożyty. Mając taki zespół, zespół skupiony wokół Uwe Johna przyjrzał się teraz genomowi - i doświadczył niespodzianki.
Naukowcy znaleźli obiekt swoich badań w komórkach innych bruzdnic z rodzaju Alexandrium. Obejmuje to kilka gatunków, które mają tendencję do masowego tworzenia toksycznych zakwitów glonów. Całe dywany z tych jednokomórkowych organizmów czasami dryfują w wodzie i wytwarzają truciznę nerwową saksytoksynę, która jest również niebezpieczna dla ludzi. Istnieją jednak pasożyty, które mogą powstrzymać takie zakwity glonów. Należą do nich gatunki o nazwie Amoebophrya ceratii, które były przedmiotem obecnego badania.
"Te jednokomórkowe organizmy pływają w wodzie jako tak zwane dinospory, dopóki nie znajdą żywiciela" - wyjaśnia Uwe John. Kiedy nadchodzi czas, przyczepiają się do swojej ofiary, wnikają w nią i zjadają ją od środka. Stają się coraz większe i tworzą stadium z wieloma jądrami komórkowymi. Jak robak, w końcu wypełza z martwego żywiciela i rozpada się na 200 do 400 nowych kolców dinozaura. Taki cykl infekcji trwa tylko trzy do czterech dni i może masowo wpływać na populacje aleksandrów.
Zespół zsekwencjonował genom zdobywcy Giftalgena, który składa się z około 100 milionów par zasad. To bardzo mało jak na dinoflagellate. Niewielki genom pasożyta nie jest niczym szczególnym. Wielu zwolenników tego stylu życia nie produkuje wszystkich metabolitów niezbędnych do przetrwania, ale wykorzystuje swoich żywicieli. To sprawia, że są od nich zależni, ale mogą też obejść się bez wielu genów. Ale Amoebophrya ceratii nie poszła tą drogą. "U tego gatunku prawie wszystkie procesy metaboliczne działają tak, że powinny być w stanie poradzić sobie same" - mówi Uwe John. I robi to ze znacznie mniejszym genomem niż jakikolwiek inny dinoflagellate.
Prowadził tę redukcję szczególnie daleko w tej części genomu, która leży poza jądrem komórkowym. U roślin i glonów DNA znajduje się nie tylko w mitochondriach, ale także w plastydach, które są potrzebne do fotosyntezy. U bruzdnic ich genom jest zazwyczaj dość mały i składa się z zaledwie 14 genów. Wydaje się jednak, że Amoebophrya ceratii całkowicie zlikwidowała plastydy i, z jednym wyjątkiem, ich geny.
Jeszcze bardziej spektakularny jest program oszczędnościowy, który pasożyt narzucił swoim mitochondriom. W jego związku nadal istnieją trzy geny w DNA tych małych elektrowni komórkowych. Amoebophrya ceratii najwyraźniej zachowała cały genom mitochondrialny. Pomimo całej skrupulatnej pracy poszukiwawczej, zespół nie znalazł po nim śladu. Dwa geny najwyraźniej zniknęły, a trzeci, oksydaza cytochromu c 1 (COX1 lub COI), migrował do jądra. "To naprawdę mnie zaskoczyło", mówi Uwe John, "ponieważ jak dotąd nie jest znane żadne inne stworzenie oddychające tlenem, które nie ma własnego materiału genetycznego w swoich mitochondriach."
Ta oszczędność może być przydatna, jeśli pasożyty będą musiały szybko stworzyć wiele nowych zarodników dinozaurów. "Bardziej efektywne może być regulowanie wszystkich procesów za pośrednictwem jądra" - mówi Uwe John. "Więc prawdopodobnie zasoby żywiciela mogą być wykorzystane w najlepszy możliwy sposób". Jednak nic byśmy nie zyskali, gdyby dopływ energii się załamał. Wydaje się jednak, że takie niebezpieczeństwo nie istnieje: Mitochondria działają dobrze na wszystkich etapach życia i pozwalają dinozaurom na poszukiwanie żywiciela nawet na szybkie pływanie. "Te pasożyty prawdopodobnie znalazły swój własny sposób na generowanie energii" - mówi Uwe John. "Wymagają tylko części z pięciu znanych kompleksów białkowych, które znajdują się w mitochondriach ludzi i wszystkich zwierząt do produkcji energii."
Naukowcy mają nadzieję, że odkrycia te pomogą lepiej zrozumieć ewolucję dinoflagellatów i ich krewnych jako całości. Byłoby to również interesujące, ponieważ pokrewieństwo tych glonów obejmuje również inne pasożyty i czynniki wywołujące choroby, takie jak malaria. Ponadto wyniki mogą zapewnić nowy wgląd w historię mitochondriów i plastydów. Oba były pierwotnie niezależnymi stworzeniami, które od niepamiętnych czasów były połykane przez inne organizmy jednokomórkowe i żyły w nich jako tak zwane endosymbionty. Z biegiem czasu skurczyły one swój materiał genetyczny i stały się dostawcami usług dla komórek, które same nie są już zdolne do życia. Rozwój ten doprowadził jednak Amoebophrya ceratii do skrajności, a także pozbawił jej endosymbiontów resztek ich autonomii genetycznej.