© 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
«Энергостанция» без ДНК
May 27, 2019
Водоросли из группы динофлагеллят необычным образом организовали свой генетический материал
Клетки большинства живых существ имеют особые структуры, отвечающие за выработку энергии. Эти так называемые митохондрии обычно имеют собственный геном помимо генома, находящегося в ядре. Уве Джон из Института Альфреда Вегенера (AWI) и его коллеги обнаружили до сих пор уникальное исключение среди одноклеточных паразитов. Митохондрии динофлагеллят Amoebophrya ceratii, похоже, функционируют правильно даже без собственного генетического материала, сообщает команда в журнале Science Advances.
Динофлагелляты составляют большую часть планктона в морях. Около половины из примерно двух тысяч известных видов практикуют фотосинтез, как растения, другие ведут хищнический образ жизни или, в зависимости от предложения, переключаются между различными диетами. И, наконец, эта разносторонняя группа водорослей имеет в своих рядах и паразитов. Имея такую команду, команда Уве Джона теперь взглянула на геном и испытала сюрприз.
Исследователи нашли объект своего исследования в клетках других динофлагеллят рода Alexandrium. Сюда входят несколько видов, которые при массовых застройках склонны образовывать токсичное цветение водорослей. Целые ковры из этих одноклеточных организмов иногда дрейфуют в воде и выделяют нервно-паралитический яд сакситоксин, который также опасен для человека. Но есть паразиты, которые могут остановить такое цветение водорослей. К ним относится вид под названием Amoebophrya ceratii, который был в центре внимания текущего исследования.
«Эти одноклеточные организмы плавают в воде в виде так называемых диноспор, пока не найдут своего хозяина», — объясняет Уве Джон. Когда приходит время, они присасываются к своей жертве, проникают в нее и съедают ее изнутри. Они становятся все больше и больше и образуют стадию со множеством клеточных ядер. Подобно червю, он наконец выползает из мертвого хозяина и разбивается на 200–400 новых шипов динозавра. Такой цикл заражения длится всего три-четыре дня и может серьезно повлиять на популяцию Александрия.
Команда секвенировала геном завоевателя Гифталгена, который состоит примерно из 100 миллионов пар оснований. Это очень мало для динофлагелляты. Итак, небольшой геном паразита не представляет собой ничего особенного. Многие последователи такого образа жизни не производят все необходимые для выживания метаболиты сами, а используют своих хозяев. Это делает их зависимыми от них, но они также могут обходиться без многих генов. Но Amebophrya ceratii не пошла по этому пути. «У этого вида почти все метаболические процессы работают так, что они должны справляться самостоятельно», — говорит Уве Джон. И это происходит с гораздо меньшим геномом, чем у любой другой динофлагелляты.
Это сокращение особенно зашло в той части генома, которая находится за пределами клеточного ядра. У растений и водорослей ДНК содержится не только в митохондриях, но и в пластидах, необходимых им для фотосинтеза. Их геном у динофлагеллят обычно довольно мал и состоит всего из 14 генов. Однако Amoebophrya ceratii, похоже, полностью уничтожила пластиды и, за одним исключением, их гены.
Еще более впечатляющей является программа жесткой экономии, которую паразит навязал своим митохондриям. В его родстве все еще есть три гена в ДНК этих маленьких клеточных электростанций. Amoebophrya ceratii, по-видимому, сохранила весь митохондриальный геном. Несмотря на всю кропотливую поисковую работу, команда не нашла его следов. Два гена, по-видимому, исчезли, третий, цитохром с-оксидаза 1 (COX1 или COI), мигрировал в ядро. "Это меня очень удивило", - говорит Уве Джон, - "потому что до сих пор не известно ни одно другое дышащее кислородом существо, которое не имело бы собственного генетического материала в митохондриях".
Такая экономия могла бы пригодиться, если бы паразиты придется быстро создать множество новых спор динозавров. «Возможно, более эффективно регулировать все процессы через ядро», — говорит Уве Джон. «Так что, вероятно, ресурсы хоста можно использовать наилучшим образом». Однако ничего не будет достигнуто, если энергоснабжение прекратится. Но опасности, похоже, не существует: митохондрии хорошо работают на всех стадиях жизни и позволяют динозаврам в поисках хозяина даже быстро плавать. «Эти паразиты, вероятно, нашли собственный способ генерировать энергию», — говорит Уве Джон. «Для производства энергии им требуется только часть из пяти известных белковых комплексов, которые встречаются в митохондриях человека и всех животных».
Исследователи надеются, что эти открытия помогут лучше понять эволюцию динофлагеллят и их родственники в целом. Это было бы интересно еще и потому, что в родство этих водорослей входят и другие паразиты и возбудители таких заболеваний, как малярия. Кроме того, результаты могут дать новое понимание истории митохондрий и пластид. Оба изначально были самостоятельными существами, которые с незапамятных времен были поглощены другими одноклеточными организмами и жили в них как так называемые эндосимбионты. Со временем они сократили свой генетический материал и стали поставщиками услуг для клеток, которые сами по себе уже нежизнеспособны. Однако такое развитие событий довело Amoebophrya ceratii до крайности, а также лишило ее эндосимбионтов остатков генетической автономии.