Chromera velia , также известный как «хромерид», [1] [2] является одноклеточным фотосинтезирующим организмом [3] в суперфилюме Alveolata . Он представляет интерес для изучения паразитов апикомплекса, в частности их эволюции и, соответственно, их уникальной уязвимости к лекарственным препаратам. [4]
Открытие C. velia вызвало новый интерес к исследованию протистов , как водорослей и паразитов, так и свободноживущих одноклеточных. Строгое разделение ботанических протистов ( водоросли ) и зоологических протистов ( простейшие ) было общепринятым, но C. velia можно рассматривать как хороший пример моста, соединяющего обе категории. [1]
C. velia имеет типичные черты альвеолят, будучи филогенетически связанным с Apicomplexa (подгруппа альвеолят), и содержит фотосинтетическую пластиду ( хлоропласт ), в то время как апикомплексаны имеют нефотосинтетическую пластиду, называемую апикопластом . C. velia также относится к другой подгруппе альвеолят, динофлагеллятам , большинство из которых являются фотосинтезирующими. [1]
C. velia использует метаболиты (восстановленный углерод) из своей пластиды в качестве основного источника энергии. То же самое относится к водорослевому кузену C. velia , другому хромериду Vitrella brassicaformis . [5] Вместе они являются филогенетически наиболее близкими из известных автотрофных организмов к апикомплексам . [1] [5] [6]
Паразиты рода апикомплексов Plasmodium являются возбудителями малярии . Исследования C. velia и V. brassicaformis широко полезны для понимания биохимии, физиологии и эволюции малярийного паразита, других апикомплексов и динофлагеллятов. [1]
«Апикопласт» — это специализированное слово, произошедшее от слова «пластида». Первоначально слово « пластида » было более подходящим, чем «хлоропласт», для описания органелл , очевидно, водорослевого происхождения у любого простейшего, но у которых нет хлорофилла или поглощающего свет пигмента. Ярким примером являются те, которые обнаружены у паразитов апикомплексов. Большинство членов линии апикомплексов все еще содержат геном в пластиде, что указывает на то, что органелла предков линии когда-то была фотосинтетической, [7] [8] но эти пластиды не имеют поглощающих свет пигментов или механизмов световой реакции. [8]
В то время как Chromera velia содержит фотосинтетическую пластиду, большинство родственников апикомплексанов содержат нефотосинтетическую пластиду, а остальные не содержат пластиду. Предковая фотосинтетическая пластида предковых апикомплексанов могла быть очень похожа на пластиду C. velia или пластиду V. brassicaformis . [6]
Так же, как термин «пластида» стал широко принят для органелл, полученных из хлоропластов нефотосинтезирующих протистов, термин «апикопласт» также получил признание для пластиды апикомплексов. В современном использовании термин «пластида» может даже использоваться для описания хлоропласта любого фотосинтезирующего организма, и поэтому имеет общее недискриминационное использование. [6]
Chromera velia была впервые выделена доктором Бобом Муром (тогда в Carter Lab, University of Sydney ) из каменистого коралла ( Scleractinia , Cnidaria ) Plesiastrea versipora ( Faviidae ) из Сиднейской гавани , Новый Южный Уэльс , Австралия (коллекционеры Томас Старке-Петеркович и Лес Эдвардс, декабрь 2001 г.) [1] .
Он также был выращен Муром из каменистого коралла Leptastrea purpurea ( Faviidae ) острова Уан-Три Большого Барьерного рифа , Квинсленд , Австралия (коллекционеры Карен Миллер и Крейг Манди, ноябрь 2001 г.) [1] .
С использованием секвенирования ДНК была отмечена связь между C. velia , динофлагеллятами и апикомплексанами. [1] Геномная ДНК C. velia была извлечена для получения матриц ПЦР , и когда последовательности амплифицированных генов были сравнены с последовательностями других видов, биостатистические методы привели к размещению C. velia на филогенетической ветви, близкой к апикомплексанам . [1] Благодаря различным филогенетическим тестам на ортологичных генах, обнаруженных у схожих организмов, исследователи смогли связать C. velia с динофлагеллятами и апикомплексанами, которые являются альвеолятами. Как ядро, так и пластида C. velia показали альвеолярное происхождение. Последующее исследование пластидных геномов C.velia и V. brassicaformis более подробно показало, что пластиды перидиновых динофлагеллят, апикомплексов и хромеридов имеют одну и ту же родословную, происходящую от пластиды типа красных водорослей. [6]
После наименования организма и описания неподвижной формы [1] в нескольких работах была задокументирована вегетативная подвижная форма [2] [9] , которая выделяется в виде набора из восьми братьев и сестер из клетки-предшественника. [10]
Структура, напоминающая апикальный комплекс у жгутиконосцев, [11] включает коноид или псевдоконоид и длинные мешковидные микронемы , [2] [11] подтверждая связь с апикомплексанами . Однако эта связь еще не формализована, за исключением того факта, что хромериды и апикомплексаны классифицируются как сестринские группы в пределах Alveolata . [1] Точная функция апикальных органелл Chromerida неизвестна, хотя органеллы были изучены довольно подробно. [11] [12]
Живой экземпляр C. velia можно приобрести в коллекции культур NCMA в штате Мэн, США [13] , а также он хранится в других коллекциях культур, таких как CCAP (Великобритания) [14] и SCCAP (Скандинавия) [15] .
Сохранившийся материал хранится в Австралийском музее в Сиднее как голотип/гапантотип Z.6967, представляющий собой сохраненную культуру, залитую в PolyBed 812, [1] и отдельно хранящийся также в абсолютном этаноле. [1]
Пластида Chromera velia имеет 4 окружающих мембраны и содержит хлорофилл a , в то время как хлорофилл c отсутствует. Фотосинтез был исследован у C. velia , и было показано, что его фотосинтетическое усвоение углерода очень эффективно в смысле адаптации к широкому диапазону световых режимов, от сильного света до слабого света. [16] Таким образом, как и у других водорослей, которые содержат только хлорофилл a (например, Nannochloropsis , страменопил ), отсутствие хлорофилла c , по-видимому, не ослабляет хромериды каким-либо образом. Вспомогательные пигменты у C. velia включают изофукоксантин. [1]
В отличие от других эукариотических водорослей, которые используют только кодоны UGG для кодирования аминокислоты триптофана в пластидных геномах, пластидный геном C. velia содержит кодон UGA в нескольких позициях, которые кодируют триптофан в гене psbA [1] и других генах. [6] Кодон UGA-Trp характерен для апикопластов и митохондрий различных организмов, но до открытия C. velia не был беспрецедентным в любой фотосинтетической пластиде. Аналогичным образом, смещение в сторону поли-U-хвостов обнаружено специально в подмножестве генов, кодируемых апикопластом, которые участвуют в фотосинтезе у C. velia . [17] Открытие этих двух генетических особенностей, UGA-Trp и поли-U-хвостов генов фотосинтеза, указывает на то, что C. velia представляет собой подходящую модель для изучения эволюции апикопласта. Другой характерной чертой C. velia является то, что его пластидный геном является линейным. [18] Janouškovec et al 2013 также представляет путь экспрессии ДНК → РНК → белок фотосистемы I A1 . Он необычно поздно полностью разрешается: он не полностью собирается как единый транскрипт или даже как единый продукт трансляции , а только после этого шага. [19]
Митохондриальный геном C. velia кодирует один ген - cox1 - и несколько фрагментированных молекул рРНК. [20] [21] [22] Этот митохондриальный геном на один шаг дальше деградировал, чем геном перидининовых динофлагеллятов, которые содержат три гена, кодирующих белок. Однако обе линии, C. velia и динофлагелляты, содержат функционирующие митохондрии, гены которых переместились в ядро. [ необходима цитата ]
Большинство митохондрий Apicomplexan, которые были ранее секвенированы, также имеют только три гена, кодирующих белок, включая cox1 и ряд фрагментированных генов рРНК. Известны исключения из этого правила: организм Apicomplexan Cryptosporidium, по-видимому, полностью лишен митохондрии. [ необходима цитата ]
Митохондриальный аппарат C. velia значительно отличается от такового у других хромеридов Vitrella brassicaformis . Недавнее открытие заключается в том, что дыхательные комплексы I и III C. velia отсутствуют, а функция комплекса III была взята на себя лактат->цитохром C оксидоредуктазой [22]. Напротив, более предковый митохондриальный геном хромеридов, представленный V. brassicaformis, сохраняет канонический комплекс III. [23]
Неожиданным открытием в Chromera стала крупная (диаметром 1 мкм) постоянно присутствующая органелла, ограниченная двумя мембранами, которую первоначально считали митохондрией. [1] Эта органелла может быть не митохондрией, а экструзосомой, называемой «хромеросомой». [2] На самом деле митохондрии, напротив, оказались маленькими и множественными, [2] как и у других альвеолят. [ требуется ссылка ]
Открытие Chromera velia и ее уникальной пластиды, которая по происхождению похожа на апикопласты, обеспечивает важную связь в эволюционной истории апикомплексов. До описания C. velia было много спекуляций вокруг идеи фотосинтетической предковой линии паразитов апикомплексов. Для пошаговой истории характеристики органеллы апикомплексов апикомплексов см., например, веб-обзор Варгаса Парады (2010). [8]
Предполагается, что апикомплексаны с их реликтовым хлоропластом, апикопластом, когда-то могли синтезировать энергию посредством фотосинтеза. Древние апикомплексаны или их непосредственные предшественники могли иметь симбиотические отношения с коралловым рифом вокруг них. Чтобы достичь этого, эти древние организмы должны были обладать рабочим хлоропластом. Однако, если это так, эта автотрофная способность была утрачена, и апикомплексаны медленно эволюционировали, чтобы стать паразитическими видами, зависящими от своих хозяев для выживания. [24]
Хотя исследователи все еще обсуждают, почему апикомплексаны пожертвовали своей фотосинтетической способностью и стали паразитами, предполагается, что подсказки могут быть получены путем изучения аспектов эволюции Chromerida , таких как развитие апикального комплекса органелл, которые использовались более поздними потомками для вторжения в клетки хозяина. [11] [12] В июле 2015 года были опубликованы полные геномные последовательности хромеридов C.velia и V. brassicaformis , [25] раскрывающие массив генов, которые были кооптированы или адаптированы [26] при переходе от свободного образа жизни к паразитическому образу жизни. [26]
Пластидный геном C. velia необычен тем, что есть доказательства, что он может быть линейным [18] и содержит расщепленные гены для ключевых генов фотосистемы. Линейное состояние пластидного генома C. velia является напоминанием о том, что C. velia не является предковым организмом, а является производной формой, которая произошла от предкового фотосинтетического альвеолата, который, предположительно, имел кольцевой пластидный геном, как и другой известный хромерид Vitrella brassicaformis . [ необходима цитата ]
Много исследований посвящено жгутиковому аппарату Chromera, Vitrella и апикомплексов в связи с морфологическим переходом этой органеллы во время возникновения паразитизма у апикомплексов. [12] [27] Похоже, что C. velia существует как свободноживущий фототроф, когда это необходимо или когда условия окружающей среды подходят, но также может заражать личинки кораллов и жить как внутриклеточный паразит. [28] [29]
Одним из потенциально важных вкладов исследований C. velia , помимо его положения как недостающего звена между паразитическими и водорослевыми видами, является его потенциал в исследованиях, направленных на поиск новых противомалярийных препаратов или выяснение функции существующих противомалярийных препаратов. Многие препараты, которые долгое время использовались в клинической практике, влияют на функции апикопласта в клетках плазмодия . [30] [31] Основная биологическая функция апикопласта заключается исключительно в производстве изопреноидов и их производных, [32] без которых паразиты не могут жить. [32]
C. velia может служить удобной модельной целью для разработки противомалярийных препаратов, поскольку она фактически содержит исходный апикопласт, так сказать, и поскольку ее ядерный геном очень похож на геном предковых протопаразитов. В лабораторных условиях работа с паразитами апикомплексаном может быть сложной, опасной и дорогой, поскольку они должны быть инфицированы в живые клетки хозяина (в культуре ткани), чтобы оставаться жизнеспособными. Chromera velia , легче поддерживать, чем паразиты апикомплексаном, но при этом родственна им, поэтому может потенциально предоставить лабораторную модель для понимания или разработки противомалярийных методов лечения. C. velia способна жить независимо от своих обычных животных-хозяев и может быть легко и дешево выращена в лабораторных условиях. [ необходима цитата ]
Так же, как люди подвержены инфекциям, вызываемым апикомплексанами Plasmodium и Cryptosporidium , животные также подвержены заражению апикомплексанами, включая Toxoplasma , Babesia , Neospora и Eimeria . Говорят, что почти у каждого животного на Земле есть один или несколько видов паразитов апикомплексан, которые ему угрожают. Экономическое бремя от паразитов апикомплексан оценивается в миллиарды долларов [33] [34] (см. также Малярия ) в дополнение к человеческим и животным расходам на эти организмы. Более глубокое понимание эволюционных ролей и функций апикопластов и апикальных комплексов может повлиять на исследования паразитов апикомплексан у сельскохозяйственных животных, что делает C. velia интересной в сельскохозяйственном контексте, а также в медицинских и экологических областях. [ необходима цитата ]
Предварительный патент на использование Chromerida ( Chromera и Vitrella ) в качестве объектов для скрининга и тестирования противоапикомплексных препаратов [4] не был подан как полный патент, что оставляет открытым путь для использования этих организмов в коммерческой разработке методов скрининга полезных соединений. [ необходима ссылка ]
Одно исследование показало, что Chromera может играть симбиотическую роль в кораллах, вертикально передаваясь от родителя к потомству Montipora digitata через стадию яйца коралла. [35] Клетки Chromera можно было культивировать из яиц M.digitata и впоследствии использовать для временной колонизации личинок кораллов Acropora . Таким образом, известный диапазон хозяев Chromera включает кораллы M. digitata , P. versipora (типовой хозяин) и L. purpurea (альтернативный хозяин) и простирается через тропические и умеренные воды. [1] Симбионт может получать метаболиты от хозяина, [36] и было высказано предположение, что это может потенциально увеличить скорость его роста внутри хозяина. [ необходима цитата ]
Анализ наборов метагеномных данных окружающей среды показал, что существуют и другие виды, родственные C. velia и V. brassicaformis, связанные с кораллами, но еще не описанные. [37] Эти ассоциации распространены по всему миру. [37] Среди них есть некультивируемая неописанная «родственная апикомплексану линия-V» [38], которая, по мнению авторов, потенциально фотосинтетическая и, по-видимому, является специалистом по симбиозу. Культивируемые хромериды, сравнивая их, могут быть выдвинуты в качестве гипотезы о перемещении между свободноживущими и связанными с кораллами состояниями, поскольку они обнаружены в яйцах M. digitata [35], но также связаны с морскими водорослями, судя по корреляциям в наборах метагеномных данных макроводорослей. [38] Диапазон жизненных стратегий и ниш, принятых водорослями, связанными с апикомплексаном, поэтому напоминает спектр ниш, занимаемых коралловым симбионтом Symbiodinium . [ требуется ссылка ]
Первая конференция и семинар Chromera прошли на исследовательской станции Heron Island, Квинсленд, Австралия, с 21 по 25 ноября 2011 года. [39] Основные моменты включали дайвинг и культивирование. Презентации включали объявление об официальном описании второго изолированного хромерида, Vitrella brassicaformis . Профессора и студенты приняли участие в конференции и семинаре, и был охвачен широкий круг тем. Было решено, что последуют дальнейшие встречи. Вторая конференция прошла в Южной Богемии, Чешская Республика, с 22 по 25 июня 2014 года и была организована лабораторией Oborník через открытый список электронной почты. [ необходима цитата ]