© 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
"Kraftverk" utan DNA
May 27, 2019
Alger från gruppen dinoflagellater har organiserat sitt genetiska material på ett ovanligt sätt
Cellerna i de flesta levande varelser har speciella strukturer som är ansvariga för energiproduktionen. Dessa så kallade mitokondrier har vanligtvis ett eget genom, utöver det i kärnan. Uwe John från Alfred Wegener Institute (AWI) och hans kollegor har nu upptäckt ett hittills unikt undantag i en encellig parasit. Mitokondrierna hos dinoflagellaten Amoebophrya ceratii verkar fungera korrekt även utan sitt eget genetiska material, rapporterar teamet i tidskriften Science Advances.
Dinoflagellater utgör en stor del av planktonet i haven. Ungefär hälften av de cirka två tusen kända arterna utövar fotosyntes som växter, andra lever rovdjur eller, beroende på utbudet, växlar mellan olika dieter. Och slutligen, denna mångsidiga alggrupp har också parasiter i sina led. Med ett sådant team har teamet kring Uwe John nu tagit en titt i arvsmassan – och upplevt en överraskning.
Forskarna har hittat sitt studieobjekt i cellerna hos andra dinoflagellater av släktet Alexandrium. Detta inkluderar flera arter som tenderar att bilda giftiga algblomningar i massutveckling. Hela mattor från dessa encelliga organismer driver ibland i vattnet och producerar nervgiftet saxitoxin, som också är farligt för människor. Men det finns parasiter som kan stoppa sådana algblomningar. Dessa inkluderar en art som heter Amoebophrya ceratii, som var i fokus för den aktuella studien.
"Dessa encelliga organismer simmar genom vattnet som så kallade dinosporer tills de hittar sin värd", förklarar Uwe John. När det är dags fäster de sig vid sitt offer, tränger in i detta och äter det inifrån och upp. De blir större och större och bildar ett stadium med många cellkärnor. Som en mask kryper den till slut ut ur den döda värden och bryter sig in i 200 till 400 nya dinosaurieryggar. En sådan infektionscykel varar bara tre till fyra dagar och kan massivt påverka Alexandrium-populationerna.
Teamet har sekvenserat arvsmassan hos Giftalgen-erövraren, som består av cirka 100 miljoner baspar. Det är väldigt lite för en dinoflagellat. Nu är ett litet genom för en parasit inget speciellt. Många anhängare av denna livsstil producerar inte alla metaboliter som behövs för att överleva själva, utan använder sina värdar. Detta gör dem beroende av dessa, men kan också klara sig utan många gener. Men Amoebophrya ceratii följde inte denna väg. "Hos den här arten fungerar nästan alla metaboliska processer så att de ska kunna klara sig själva", säger Uwe John. Och det gör det med ett mycket mindre genom än något annat dinoflagellat.
Det har drivit denna minskning särskilt långt i den del av genomet som ligger utanför cellkärnan. I växter och alger finns DNA inte bara i mitokondrierna utan även i de plastider som de behöver för fotosyntesen. Deras genom är i allmänhet ganska litet med dinoflagellater och består av endast 14 gener. Amoebophrya ceratii verkar dock helt ha avskaffat plastiderna och, med ett undantag, deras gener.
Ännu mer spektakulärt är kurs som parasiten har ålagt sina mitokondrier. I hans förhållande finns det fortfarande tre gener i dessa småcellskraftverks DNA. Amoebophrya ceratii har tydligen räddat hela mitokondriella genomet. Trots allt noggrant sökarbete hittade teamet inga spår av det. Två gener har tydligen försvunnit, den tredje, cytokrom c-oxidas 1 (COX1 eller COI), har migrerat in i kärnan. "Det förvånade mig verkligen", säger Uwe John, "eftersom hittills ingen annan syreandande varelse är känd som inte har sitt eget genetiska material i sina mitokondrier."
Denna åtstramning kan vara praktisk om parasiterna måste snabbt skapa många nya dinosauriesporer. "Det kan vara mer effektivt att reglera alla processer via kärnan", säger Uwe John. "Så förmodligen kan värdens resurser användas på bästa möjliga sätt." Ingenting skulle dock vinnas om energiförsörjningen kollapsade. Men faran verkar inte existera: mitokondrierna fungerar bra i alla skeden av livet och tillåter dinosaurierna på värdsök även ett snabbt dopp. "Dessa parasiter har förmodligen hittat sitt eget sätt att generera energi", säger Uwe John. "De kräver bara en del av de fem kända proteinkomplex som finns i hela mitokondrierna hos människor och alla djur för att producera energi."
Forskarna hoppas att dessa fynd kommer att hjälpa till att bättre förstå utvecklingen av dinoflagellater och deras släktingar som helhet. Det skulle också vara intressant eftersom släktskapet mellan dessa alger även inkluderar andra parasiter och orsakerna till sjukdomar som malaria. Dessutom skulle resultaten kunna ge nya insikter om mitokondriers och plastiders historia. Båda var ursprungligen oberoende varelser som svaldes av andra encelliga organismer sedan urminnes tider och levde vidare i dem som så kallade endosymbionter. Med tiden har de krympt sitt genetiska material och blivit tjänsteleverantörer av celler som inte längre är livskraftiga ensamma. Denna utveckling har dock tagit Amoebophrya ceratii till ytterligheter och har också berövat dess endosymbionter resterna av deras genetiska autonomi.