Apicomplexa
1 Úvod
Fylum Apicomplexa je skupina jednobuněčných eukaryot žijících jako obligátní parazité živočichů. Tito protisté infikují metazoální hostitele od bezobratlých, jako jsou mnohonožky (Rueckert et al., 2010), sipunculidi (Leander, 2006), hlavonožci (Kopečná et al., 2006) nebo různý hmyz (Hecker et al., 2002), až po plazy, obojživelníky a savce včetně člověka (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa obsahuje také Plasmodium, původce malárie, nejničivějšího parazitárního onemocnění člověka, a kokcidii Toxoplasma gondii, pravděpodobně nejrozšířenějšího parazita člověka s navrhovaným vlivem na jeho chování (Flegr, 2007). Jako jedna z nejspecifičtějších eukaryotických skupin s odhadem více než milionu druhů (Pawlowski et al., 2012) nepřekvapuje, že mezi apikomplexy patří mnoho parazitů volně žijících i domácích zvířat (Chartier a Paraud, 2012). Apikomplexanoví parazité taxonomicky patří mezi alveoláty, skupinu protist, kam patří také řasnatky (Ciliophora), obvykle volně žijící heterotrofní protisty mající na povrchu buněk četné řasinky a unikátní genetický systém makro- a mikrojader, a většinou fototrofní dinoflageláty (Dinophyta), řasy s různě složitými plastidy, které mají velký ekologický význam ve vodním prostředí (Adl et al., 2012).
Většina apikomplexů obsahuje soubor charakteristických struktur, zejména apikální komplex a apikoplast. Zatímco apikální komplex, důmyslný aparát obvykle složený z konoidního ringu, rhoptrií a mikronů, slouží k průniku do hostitelské buňky, apikoplast představuje sekundární nefotosyntetický plastid odvozený od domněle fotosyntetické organely. Tento zbytkový plastid je obklopen čtyřmi membránami, což odráží jeho složitý původ v sekundární nebo terciární endosymbiotické události (přehled v Foth a McFadden, 2003; Lim a McFadden, 2010; Oborník a kol., 2009; Roos a kol., 1999). Jeho genom je silně redukován na 35 kb dlouhý kruh DNA (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) a postrádá jakékoliv stopy po genech zapojených do fotosyntézy. Struktura genomu apikoplastu, obsah genů a jejich syntéza jsou mezi apikomplexany poměrně konzervativní, což podporuje jediný původ této dříve fotosyntetické organely (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Ne všechny apikomplexany však nesou plastid. Bylo prokázáno, že příslušníci rodu Cryptosporidium, parazitující ve střevě obratlovců včetně člověka, apikoplast postrádají (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Navíc všechny pokusy o detekci této organely u eugregarinů, časných větvených apikomplexů s obrovskými buňkami spojenými s bezobratlými hostiteli, rovněž selhaly (Toso a Omoto, 2007). Podle molekulární fylogeneze (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) a některých morfologických synapomorf (Valigurová et al., 2007) se obě výše zmíněné skupiny zdají být úzce příbuzné. Předpokládáme, že tito apikomplexani ztratili plastid krátce po jeho získání, dříve než se tato organela pevně usadila a stala se nepostradatelnou pro přežití parazita (Oborník et al., 2009).
Přesto byl apikoplast nalezen u druhově nejbohatších a nejrozšířenějších skupin apikomplexanových parazitů, jako jsou Coccidia, Piroplasmida a Haemosporidia (Lim a McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). U nejlépe prostudovaného Plasmodium falciparum se ukázalo, že tento reliktní plastid je pro buňku nezbytný, jeho narušení vede k tzv. efektu opožděné smrti (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Apikoplast proto představuje nový slibný cíl, dokonce příslovečnou Achillovu patu těchto patogenů (Jomaa et al., 1999; McFadden a Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner a Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). Objev této organely vedl k převratné domněnce, že se tito heterotrofní parazité vyvinuli z fototrofního předka, zejména z řasy hostící komplexní plastid (McFadden et al., 1996). Ačkoli apikoplast zřejmě ztratil hlavní plastidovou funkci, a tudíž již není fotosyntetický, několik pravděpodobně zásadních metabolických drah v této organele stále probíhá, například biosyntéza hemu (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams a Keeling, 2003), syntéza mastných kyselin (Goodman a McFadden, 2008) nebo nemevalonátová cesta syntézy isoprenoidů (Jomaa et al., 1999; přehled Ralph et al., 2004). Předpokládá se, že zejména biosyntetická cesta hemu (tetrapyrrolu) hraje důležitou roli při ztrátách plastidů, ke kterým, jak známo, dochází často, zejména během evoluce alveolátů a stramenopylů (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený a Oborník, 2011). Ostatně hemové dráze byla při hledání vhodného cíle pro antimalarika věnována značná pozornost (Seeber a Soldati-Favre, 2010; van Dooren a kol., 2012). Nedávno se však elegantní chemickou záchranou Plasmodia zbaveného apikoplastu ukázalo, že pro jeho erytrocytární (= krvetvorná) stadia je jedinou skutečně nezbytnou sloučeninou produkovanou apikoplastem isopentenylpyrofosfát, produkt nemevalonátové izoprenoidní dráhy (Yeh a DeRisi, 2011).
Ačkoli díky množství membrán obklopujících apikoplast bylo zřejmé, že se jedná o komplexní plastid pocházející přinejmenším ze sekundární endosymbiotické události (Köhler et al., 1997; McFadden et al., 1996), jeho konkrétní původ ze zelené nebo červené plastidové linie zůstával dlouho neznámý. Doposud jsou známy pouze dvě skupiny řas se sekundárním zeleným plastidem, a to fotosyntetická Euglenophyta a Chlorarachniophyta, patřící mezi exkavátory, resp. rhizaria. Předpokládá se, že obě skupiny protist získaly své plastidy relativně nedávno (Archibald, 2012). Všechny ostatní skupiny řas, o nichž je známo, že mají sekundární plastidy, jako jsou Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta a Haptophyta, je získaly prostřednictvím endosymbiotického vztahu s červenou řasou. Avšak i v rámci dinoflagelátů, druhově bohaté skupiny alveolátních řas většinou disponujících sekundárním červeným plastidem, byly popsány dva druhy (Lepidodinium viride a L. chlorophorum) se zeleným sekundárním plastidem (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Před objevem chromeridů (Moore et al., 2008) představovali dinoflageláti díky sesterskému postavení k Apicomplexa nejbližší známé fototrofní příbuzné těchto obligátních parazitů (Zhang et al., 2000). Bohužel vzhledem k tomu, že apikoplast ztratil všechny své fotosyntetické funkce a že genom plastidu dinoflagelátů s peridininovým pigmentem byl redukován na extrémně úzký soubor fotosyntetických genů (Barbrook a Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), plastidové genomy těchto příbuzných alveolátů se prakticky nepřekrývají (Keeling, 2008), a proto je nelze smysluplně porovnávat. Jediné geny, které obě skupiny sdílejí, jsou geny kódující rRNA; jejich extrémní AT bohatost a divergence však činí důvěryhodnou fylogenetickou analýzu velmi spornou (Dacks a kol., 2002; Howe, 1992; Oborník a kol., 2002; Zhang a kol., 2000). V důsledku toho vedly četné fylogenetické analýzy apikoplastových genů k rozporuplným výsledkům. Zatímco analýzy založené na genu tufA podporovaly původ apikoplastu ze zelené linie (Egea a LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), jiní autoři navrhovali jeho původ mimo zelenou linii (Blanchard a Hicks, 1999) nebo uvnitř červené plastidové linie (Williamson et al., 1994). Posledně jmenovaný původ je dále podporován strukturou super plastidového operonu apikoplastového genomu, genovou syntézou, která je homologní spíše s červenými než se zelenými plastidovými genomy (Blanchard a Hicks, 1999; McFadden a Waller, 1997; Stoebe a Kowallik, 1999; Zhang a kol., 2000). Přesto se zelený scénář dostal opět do hry, když byly v jaderných genomech apikomplexů i bobovitých rostlin nalezeny unikátně rozdělené geny cox2 (Funes et al., 2002). Jiní badatelé však ukázali, že takové uspořádání je přítomno již u řasinek a během evoluce se zřejmě vyvinulo vícekrát (Waller a Keeling, 2006; Waller a kol., 2003). Nejednoznačná fylogeneze apikoplastu odráží extrémní divergenci jeho rychle se vyvíjejících genů. Obsah AT v apikoplastových genech P. falciparum totiž může dosahovat až 97 % a fylogenetické analýzy takto vychýlených sekvencí jsou silně ovlivněny různými fylogenetickými artefakty, včetně fenoménu přitahování dlouhých větví (Dacks et al., 2002).
Opravdový průlom v tomto ohledu však představoval objev nové skupiny fotosyntetických alveolátů zvaných Chromerida (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Tyto řasy obsahují relativně konzervované plastidové genomy, jejichž genový repertoár se překrývá s genovým repertoárem plastidů apikomplexanů a dinoflagelátů. Navíc bylo jednoznačně prokázáno, že chromeridový plastid je nejbližším známým fototrofním příbuzným apikoplastu. Hromadící se důkazy odvozené z genů kódovaných v jádře dále ukázaly, že chromeridy sdílejí společný původ s apikomplexami (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).