Будь то люди или животные, растения или водоросли: клетки большинства форм жизни содержат особые структуры, отвечающие за выработку энергии. Называемые митохондриями, они обычно имеют собственный генетический материал в дополнение к тому, что находится в ядре. Уве Джон и его коллеги из Института Альфреда Вегенера обнаружили первое в истории исключение из этого правила у одноклеточного паразита. Митохондрии динофлагеллят Amoebophrya ceratii производят энергию точно так же, как наши собственные митохондрии, но без какого-либо генетического материала, как сообщает команда в журнале Science Advances.
Они успешны, разнообразны и практически вездесущи: динофлагелляты составляют большую часть планктона, обитающего в наших океанах, и ведут разнообразный образ жизни. Примерно половина из двух тысяч известных видов используют фотосинтез, как растения, в то время как другие являются хищниками или чередуют разные формы пищи, в зависимости от того, что доступно. И последнее, но не менее важное: в эту группу также входят паразиты. Международная группа из Франции, Канады, Египта, Великобритании, Чехии и Германии под руководством Уве Джона, биолога из Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI), недавно внимательно изучила одного из этих паразитов. ' генетический материал - и были поражены тем, что они обнаружили.
Исследователи первоначально обнаружили свой объект исследования в клетках других динофлагеллят из рода Alexandrium, который включает в себя многочисленные виды, которые являются печально известными морскими алхимиками и имеют тенденцию образовывать токсичные цветки водорослей. В некоторых случаях целые ковры этих одноклеточных организмов покрывают поверхность воды и производят сакситоксин - нейротоксин, который может быть опасен для человека. Но есть также паразиты, которые могут контролировать эти цветы, например. вид Amoebophrya ceratii, который находится в центре текущего исследования.
«Эти одноклеточные организмы плавают в воде как то, что мы называем диноспорами, пока не найдут подходящего хозяина», - объясняет Уве Джон. Затем они цепляются за свою жертву, проникают в нее и поедают ее изнутри. В процессе они становятся все больше и больше, в конечном итоге достигая стадии с множественными ядрами. Подобно червям, они затем выползают из мертвого хозяина и распадаются на сотни новых диноспор. Этот цикл заражения занимает всего три или четыре дня и может уничтожить популяцию Александрия. «На самом деле, возможно, именно благодаря этим паразитам цветение токсичных водорослей у берегов Бретани сейчас происходит реже, чем всего несколько лет назад», - говорит Джон, - этот аспект делает расследование убийц ядовитых водорослей еще более захватывающим.
В этом контексте команда секвенировала геном (весь генетический материал) Amoebophrya, который состоит примерно из 100 миллионов пар оснований. Это чрезвычайно мало по меркам динофлагеллят: у других видов геном в тысячу раз больше, что намного больше, чем даже человеческий геном. При этом небольшой геном не является чем-то необычным для паразита. Многие из тех, кто ведет такой образ жизни, не производят все продукты метаболизма, необходимые им для выживания; они просто крадут их у хозяина. Хотя это делает их зависимыми от хозяина, это также означает, что есть много генов, без которых они могут просто обойтись. Но это не тот путь, по которому выбрала Amoebophrya ceratii. «У этого вида почти все метаболические процессы все еще работают, поэтому он также должен быть в состоянии справиться сам по себе», - говорит Уве Джон. И он может сделать это со значительно меньшим генетическим материалом, чем любой другой динофлагеллят.
Эта редукция особенно выражена в той части генома, которая лежит вне ядра. У растений и водорослей собственная ДНК находится не только в ядре и митохондриях, но и в пластидах, необходимых им для фотосинтеза. Для динофлагеллят в целом эта пластидная ДНК довольно проста и состоит всего из 14 генов. Тем не менее, Amoebophrya ceratii, похоже, полностью избавилась от пластид и от всех своих генов, кроме одного.
Тем не менее, «урезание бюджета», которое паразит преследовал в отношении своих митохондрий, еще более впечатляет. У родственных видов ДНК этих крошечных электростанций по-прежнему содержит три гена, которые эксперты обычно считают незаменимыми. Но Amoebophrya ceratii, по-видимому, полностью вырезала митохондриальный геном; несмотря на кропотливые усилия, команда не смогла найти никаких его следов. Два из трех генов нигде не обнаружены, а третий, цитохром с оксидаза 1 (COX1 или COI), мигрировал в ядро. «Это меня совершенно поразило, - говорит Уве Джон, - потому что не существует другой зарегистрированной формы жизни, дышащей кислородом, у которой нет собственного генетического материала в митохондриях."
Это сокращение может пригодиться, когда паразитам нужно быстро сформировать большое количество новых диноспор. По словам Уве Джона, «Возможно, более эффективно регулировать все процессы с помощью ядра. Вероятно, это также наиболее эффективный способ использования ресурсов хоста». Но ничего из этого не принесет пользы, если отключится подача энергии. Однако это кажется маловероятным: митохондрии работают достаточно хорошо на всех стадиях, даже позволяя диноспорам быстро плавать при поиске хозяина. «По-видимому, эти паразиты нашли собственную стратегию, когда дело доходит до производства энергии», - резюмирует исследователь AWI Уве Джон. «Для производства энергии им требуется только часть из пяти известных белковых комплексов, обнаруженных в митохондриях человека и всех животных».
Эксперты надеются, что их выводы помогут нам понять эволюцию динофлагеллят и их родственников. Это также было бы интересно, поскольку к последним относятся другие паразиты и патогены, вызывающие такие заболевания, как малярия. Кроме того, результаты могут дать новый взгляд на эволюционную историю митохондрий и пластид: обе они изначально были независимыми формами жизни, которые были поглощены другими одноклеточными организмами в первобытном прошлом и жили внутри них как так называемые эндосимбионты. С течением времени их генетический материал постепенно уменьшался, и они, по сути, становились «поставщиками услуг», которые больше не могли выживать самостоятельно. Тем не менее, Amoebophrya ceratii, по-видимому, продвинулась в этом развитии еще на один шаг вперед и лишила своих эндосимбионтов последних остатков генетической автономии..