© 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
«Електростанція» без ДНК
May 27, 2019
Водорості з групи динофлагелят організували свій генетичний матеріал незвичайним чином
Клітини більшості живих істот мають особливі структури, які відповідають за виробництво енергії. Ці так звані мітохондрії зазвичай мають власний геном, окрім генома в ядрі. Уве Джон з Інституту Альфреда Вегенера (AWI) та його колеги тепер виявили унікальний виняток в одноклітинному паразиті. Мітохондрії динофлагеллят Amoebophrya ceratii, здається, функціонують належним чином навіть без власного генетичного матеріалу, повідомляє команда в журналі Science Advances.
Динофлагелляти складають значну частину планктону в морях. Близько половини з приблизно двох тисяч відомих видів практикують фотосинтез, як рослини, інші живуть хижаками або, залежно від пропозиції, перемикаються між різними дієтами. І, нарешті, ця універсальна група водоростей також має в своїх рядах паразитів. Завдяки такій команді команда навколо Уве Джона тепер зазирнула в геном і зазнала несподіванки.
Дослідники знайшли об’єкт дослідження в клітинах інших динофлагелят роду Alexandrium. Це включає кілька видів, які мають тенденцію утворювати токсичне цвітіння водоростей у масовому розвитку. Цілі килими з цих одноклітинних організмів іноді дрейфують у воді та виробляють нервово-паралітичну отруту сакситоксин, яка також небезпечна для людини. Але є паразити, які можуть зупинити таке цвітіння водоростей. До них відноситься вид під назвою Amoebophrya ceratii, який був у центрі нинішнього дослідження.
«Ці одноклітинні організми плавають у воді як так звані диноспори, поки не знайдуть свого господаря», — пояснює Уве Джон. Коли приходить час, вони прикріплюються до своєї жертви, проникають в неї і поїдають її зсередини. Вони стають все більшими і більшими і утворюють стадію з багатьма клітинними ядрами. Подібно до хробака, він, нарешті, виповзає з мертвого господаря і розламує від 200 до 400 нових колючок динозавра. Такий цикл зараження триває лише три-чотири дні та може значно вразити популяцію Александріума.
Команда секвенувала геном завойовника Гіфталгена, який складається приблизно з 100 мільйонів пар основ. Це дуже мало для динофлагелляти. Тепер маленький геном для паразита не є чимось особливим. Багато послідовників цього способу життя не виробляють самі всі метаболіти, необхідні для виживання, а використовують своїх господарів. Це робить їх залежними від них, але також можуть обходитися без багатьох генів. Але Amoebophrya ceratii не пішла цим шляхом. «У цього виду майже всі метаболічні процеси працюють так, що вони повинні впоратися самостійно», — каже Уве Джон. І він робить це за допомогою набагато меншого генома, ніж будь-який інший динофлагеллят.
Це значно збільшило це зменшення в тій частині геному, яка лежить за межами клітинного ядра. У рослин і водоростей ДНК міститься не лише в мітохондріях, а й у пластидах, необхідних їм для фотосинтезу. Їх геном, як правило, досить малий у динофлагеллят і складається лише з 14 генів. Проте Amoebophrya ceratii, здається, повністю знищила пластиди та, за одним винятком, їхні гени.
Ще більш вражаючою є програма жорсткої економії, яку паразит наклав на свої мітохондрії. У його спорідненості все ще є три гени в ДНК цих маленьких клітинних електростанцій. Amoebophrya ceratii, очевидно, зберегла весь мітохондріальний геном. Незважаючи на всю ретельну пошукову роботу, команда не знайшла жодних його слідів. Два гени, очевидно, зникли, третій, цитохром-с-оксидаза 1 (COX1 або COI), мігрував у ядро. «Це мене справді здивувало, — каже Уве Джон, — тому що наразі не відомо жодної іншої істоти, що дихає киснем, у мітохондріях якої не було б власного генетичного матеріалу».
Ця сувора економія може бути корисною, якщо паразити потрібно швидко створити багато нових спор динозаврів. «Можливо, ефективніше регулювати всі процеси через ядро», — каже Уве Джон. «Тож, ймовірно, ресурси хоста можна використати найкращим чином». Однак нічого не вийде, якщо енергопостачання зруйнується. Але небезпеки, здається, немає: мітохондрії добре працюють на всіх стадіях життя і дозволяють динозаврам під час пошуку господаря навіть швидко плавати. «Ці паразити, ймовірно, знайшли власний спосіб генерувати енергію», — каже Уве Джон. «Для виробництва енергії їм потрібна лише частина з п’яти відомих білкових комплексів, які містяться в мітохондріях людини та всіх тварин».
Дослідники сподіваються, що ці знахідки допоможуть краще зрозуміти еволюцію динофлагеллят та їх родичі в цілому. Це також було б цікаво, оскільки спорідненість цих водоростей також включає інших паразитів і збудників таких захворювань, як малярія. Крім того, результати можуть дати нове уявлення про історію мітохондрій і пластид. Обидва спочатку були незалежними істотами, які були проковтнуті іншими одноклітинними організмами з незапам'ятних часів і жили в них як так звані ендосимбіонти. З часом вони зменшили свій генетичний матеріал і стали постачальниками клітин, які більше не життєздатні поодинці. Цей розвиток, однак, довів Amoebophrya ceratii до крайнощів, а також позбавив її ендосимбіонти залишків їхньої генетичної автономії.