沒有DNA的“發電廠”

May 27, 2019 來自甲藻類的藻類以一種不尋常的方式組織其遺傳物質

大多數生物的細胞都具有負責能量產生的特殊結構。除了細胞核中的基因組之外，這些所謂的粒線體通常還有自己的基因組。阿爾弗雷德·韋格納研究所 (AWI) 的烏韋·約翰 (Uwe John) 和他的同事現在在單細胞寄生蟲中發現了迄今為止獨特的例外情況。研究小組在《科學進展》雜誌上報告稱，即使沒有自己的遺傳物質，甲藻變形蟲的粒線體似乎也能正常運作。

甲藻構成了海洋中浮游生物的很大一部分。大約兩千種已知物種中，大約有一半像植物一樣進行光合作用，其他物種則生活在掠食性動物中，或者根據食物的不同，在不同的飲食之間切換。最後，這個多才多藝的藻類群體中也有寄生蟲。有了這樣的團隊，Uwe John 周圍的團隊現在對基因組進行了研究，並經歷了驚喜。

研究人員在亞歷山大藻屬的其他甲藻細胞中發現了他們的研究對象。這包括在大規模開發中容易形成有毒藻華的幾個物種。這些單細胞生物的整塊地毯有時會漂浮在水中並產生神經毒物石房蛤毒素，這對人類也很危險。但有些寄生蟲可以阻止這種藻華。其中包括一種名為 Amoebophrya ceratii 的物種，它是當前研究的重點。

「這些單細胞生物以所謂的恐龍孢子的形式在水中游泳，直到找到宿主，」Uwe John 解釋道。當時機成熟時，它們會附著在受害者身上，滲透到其中並從內到上吃掉它。它們越來越大，形成一個有許多細胞核的階段。它像蠕蟲一樣，最後從死去的宿主體內爬出，分解成200到400根新的恐龍刺。這樣的感染週期僅持續三到四天，但可以對亞歷山大藻種群產生巨大影響。

該團隊已對Giftalgen 征服者的基因組進行了測序，該基因組由約1 億個鹼基對組成。這對於甲藻來說是微乎其微的。現在，寄生蟲的小基因組沒什麼特別的。這種生活方式的許多追隨者本身並不會產生生存所需的所有代謝物，而是利用宿主。這使得它們依賴這些，但也可以不需要很多基因。但中華變形蟲並沒有走這條路。 「在這個物種中，幾乎所有的代謝過程都在起作用，因此它們應該能夠自行應對，」烏韋·約翰說。它用比任何其他甲藻小得多的基因組來做到這一點。

它在位於細胞核之外的基因組部分中尤其推動了這種減少。在植物和藻類中，DNA 不僅存在於粒線體中，還存在於光合作用所需的質體中。它們的基因組通常與甲藻一樣很小，僅由 14 個基因組成。然而，鋸齒變形蟲似乎完全廢除了質體，除了一個例外，還廢除了它們的基因。
更引人注目的是寄生蟲對其粒線體施加的緊縮計劃。在他的關係中，這些小細胞發電廠的DNA中還存在著三個基因。 Amoebophrya ceratii 顯然保存了整個粒線體基因組。儘管進行了所有細緻的搜尋工作，團隊還是沒有發現它的蹤跡。兩個基因明顯消失，第三個基因，細胞色素 c 氧化酶 1（COX1 或 COI），已遷移到細胞核。 「這真的讓我感到驚訝，」烏韋·約翰說，「因為到目前為止，還沒有其他已知的呼吸氧氣的生物在其線粒體中沒有自己的遺傳物質。」

如果寄生蟲的話，這種緊縮可能會很方便必須快速創造許多新的恐龍孢子。 「透過細胞核調節所有過程可能更有效，」烏韋·約翰說。 “所以宿主的資源或許可以得到最好的利用。”然而，如果能源供應崩潰，那將一無所獲。但危險似乎不存在：粒線體在生命的各個階段都運作良好，使恐龍能夠尋找宿主，甚至可以快速游泳。 「這些寄生蟲可能已經找到了自己產生能量的方式，」烏韋約翰說。 「它們只需要人類和所有動物粒線體中發現的五種已知蛋白質複合物的一部分來產生能量。」

研究人員希望這些發現將有助於更好地了解甲藻的進化及其親戚作為一個整體。這也很有趣，因為這些藻類的親緣關係也包括其他寄生蟲和瘧疾等疾病的病原體。此外，這些結果可以為粒線體和質體的歷史提供新的見解。兩者原本都是獨立的生物，自古以來就被其他單細胞生物吞噬，並以所謂的內共生體的形式在其中生存。隨著時間的推移，它們的遺傳物質不斷縮小，成為無法單獨存活的細胞的服務提供者。然而，這種發展已將中華變形蟲推向極端，並剝奪了其內共生體的遺傳自主性殘餘。