Apicomplexa

1 Introduktion

Fylum Apicomplexa er en gruppe af encellede eukaryoter, der lever som obligatoriske parasitter hos dyr. Disse protister inficerer metazoiske værter, der spænder fra hvirvelløse dyr, såsom polychaeter (Rueckert et al., 2010), sipunculider (Leander, 2006), cephale bløddyr (Kopečná et al., 2006) eller forskellige insekter (Hecker et al., 2002), til krybdyr, padder og pattedyr, herunder mennesker (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa indeholder også Plasmodium, der er årsag til malaria, den mest ødelæggende parasitsygdom hos mennesker, og coccidium Toxoplasma gondii, der sandsynligvis er den mest udbredte parasit hos mennesker med foreslået indflydelse på deres adfærd (Flegr, 2007). Som en af de mest artsrige eukaryote grupper med et skøn på over en million arter (Pawlowski et al., 2012) er det ikke overraskende, at apikompleksanerne omfatter mange parasitter hos vilde og tamme dyr (Chartier og Paraud, 2012). Apicomplexan-parasitter tilhører taksonomisk set alveolater, en gruppe af protister, som også omfatter ciliater (Ciliophora), normalt fritlevende heterotrofe protister, der besidder mange cilier på deres celleoverflade og et unikt genetisk system af makro- og mikronukler, og for det meste fototrofe dinoflagellater (Dinophyta), alger med forskellige komplekse plastider, som er af stor økologisk betydning i vandmiljøer (Adl et al, 2012).

De fleste apikomplekser er kendt for at indeholde et sæt af karakteristiske strukturer, især det apikale kompleks og apikoplasten. Mens det apikale kompleks, et sofistikeret apparat, der normalt består af den konoide rink, rhoptrier og mikronemer, bruges til at trænge ind i værtscellen, repræsenterer apicoplasten en sekundær ikke-fotosyntetisk plastid, der stammer fra en formodentlig fotosyntetisk organel. Denne restplastid er omgivet af fire membraner, hvilket afspejler dens komplekse oprindelse i en sekundær eller tertiær endosymbiotisk begivenhed (gennemgået i Foth og McFadden, 2003; Lim og McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Dens genom er stærkt reduceret til den 35 kb lange DNA-cirkel (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) og mangler ethvert spor af gener involveret i fotosyntese. Apicoplast-genomets struktur, genindhold og gen-syntesen er ret bevaret blandt apikompleksanerne, hvilket understøtter en enkelt oprindelse for denne tidligere fotosyntetiske organel (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Det er imidlertid ikke alle apicomplexaner, der bærer en plastid. Det er blevet bevist, at medlemmer af Cryptosporidium-slægten, der parasiterer tarmen hos hvirveldyr, herunder mennesker, mangler apikoplasten (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Desuden mislykkedes alle forsøg på at påvise denne organel i eugregariner, tidlige forgrenede apicomplexaner med store celler, der er associeret med hvirvelløse værter, også (Toso og Omoto, 2007). Ifølge molekylær fylogeni (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) og nogle morfologiske synapomorfer (Valigurová et al., 2007) synes de to ovennævnte grupper at være nært beslægtede. Vi formoder, at disse apicomplexaner mistede deres plastid kort efter dens erhvervelse, før organellen blev fast etableret og uundværlig for parasittens overlevelse (Oborník et al., 2009).

Selvfølgelig er apicoplasten blevet fundet i de mest artsrige og udbredte grupper af apicomplexanparasitter, såsom Coccidia, Piroplasmida og Haemosporidia (Lim og McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). I den bedst undersøgte Plasmodium falciparum blev det vist, at denne relikplastid er essentiel for cellen, idet dens afbrydelse fører til den såkaldte forsinkede dødseffekt (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Apikoplasten udgør derfor et nyt lovende mål, ja, den er endog disse patogeners berømte akilleshæl (Jomaa et al., 1999; McFadden og Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner og Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). Opdagelsen af denne organel førte til det banebrydende forslag om, at disse heterotrofe parasitter havde udviklet sig fra en fototrofisk forfader, især en alge med en kompleks plastid (McFadden et al., 1996). Selv om apicoplasten tilsyneladende mistede den vigtigste plastidfunktion og således ikke længere er fotosyntetisk, finder flere sandsynligvis essentielle metaboliske veje stadig sted i denne organel, såsom hæm biosyntese (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams og Keeling, 2003), fedtsyresyntese (Goodman og McFadden, 2008) eller nonmevalonat isoprenoid syntetisk vej (Jomaa et al., 1999; gennemgået af Ralph et al., 2004). Det er blevet foreslået, at især den hæm (tetrapyrrol) biosyntetiske vej spiller en vigtig rolle i plastidtab, som vides at forekomme hyppigt, især under evolutionen af alveolater og stramenopiler (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený og Oborník, 2011). Faktisk er der blevet lagt betydelig vægt på hæmvejen, når der søges efter et egnet mål for antimalarialægemidler (Seeber og Soldati-Favre, 2010; van Dooren et al., 2012). Det er imidlertid for nylig blevet vist ved en elegant kemisk redning af Plasmodium befriet for apicoplasten, at for dens erythrocytiske (= blodstrømme) stadier er det eneste virkelig essentielle stof, der produceres af apicoplasten, isopentenylpyrofosfat, et produkt af nonmevalonat-isoprenoidvejen (Yeh og DeRisi, 2011).

Men takket være antallet af membraner, der omgiver apikoplasten, var det tydeligt, at det er en kompleks plastid, der stammer fra en i det mindste sekundær endosymbiotisk begivenhed (Köhler et al, 1997; McFadden et al., 1996), var dens særlige oprindelse fra den grønne eller røde plastidlinje i lang tid forblevet ukendt. Indtil videre er der kun kendt to grupper af alger med sekundære grønne plastider, nemlig de fotosyntetiske Euglenophyta og Chlorarachniophyta, der tilhører hhv. de udgravede og de rhizariske alger. Begge protistgrupper formodes at have erhvervet deres plastider relativt for nylig (Archibald, 2012). Alle de andre algegrupper, som man ved har sekundære plastider, såsom Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta og Haptophyta, har fået dem via et endosymbiotisk forhold med en rødalge. Men selv inden for dinoflagellater, som er en artsrig gruppe af alveolatiske alger, der for det meste besidder en sekundær rød plastid, er der beskrevet to arter (Lepidodinium viride og L. chlorophorum) med den grønne sekundære plastid (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Før opdagelsen af chromeriderne (Moore et al., 2008) repræsenterede dinoflagellaterne, på grund af deres søsterposition til Apicomplexa, de nærmeste kendte fototrofe slægtninge til disse obligatoriske parasitter (Zhang et al., 2000). Desværre, da apicoplasten mistede alle sine fotosyntetiske funktioner, og da genomet af dinoflagellaternes peridininpigmenterede plastid blev reduceret til et ekstremt snævert sæt fotosyntetiske gener (Barbrook og Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), overlapper plastidgenomerne af disse beslægtede alveolater stort set ikke hinanden (Keeling, 2008) og er derfor uden for meningsfuld sammenligning. De eneste gener, som begge grupper deler, er de gener, der koder for rRNA’er; deres ekstreme AT-rigdom og divergens gør dog en troværdig fylogenetisk analyse yderst tvivlsom (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Derfor har talrige fylogenetiske analyser af apicoplastgenerne ført til modstridende resultater. Mens de tufA-genbaserede analyser støttede apicoplastens oprindelse inden for den grønne slægt (Egea og LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), foreslog andre forfattere dens oprindelse uden for den grønne slægt (Blanchard og Hicks, 1999) eller inden for den røde plastidslægt (Williamson et al., 1994). Sidstnævnte oprindelse understøttes yderligere af strukturen af superplastidoperonet i apicoplastgenomet, genet synteny, som er homologe med de røde snarere end de grønne plastidgenomer (Blanchard og Hicks, 1999; McFadden og Waller, 1997; Stoebe og Kowallik, 1999; Zhang et al., 2000). På trods af dette kom det grønne scenarie igen ind i spillet, da de unikt opdelte cox2-gener blev fundet i kernegenomerne hos både apikompleksaner og bælgplanter (Funes et al., 2002). Andre forskere har imidlertid vist, at et sådant arrangement allerede findes hos ciliater og tydeligvis havde udviklet sig flere gange i løbet af evolutionen (Waller og Keeling, 2006; Waller et al., 2003). Apicoplastens tvetydige fylogeni afspejler den ekstreme divergens af dens hurtigt udviklende gener. Faktisk kan AT-indholdet i P. falciparums apicoplastgener nå op på 97 %, og fylogenetiske analyser af sådanne biased sekvenser er stærkt påvirket af forskellige fylogenetiske artefakter, herunder fænomenet med tiltrækning af lange grene (Dacks et al, 2002).

Hvorimod opdagelsen af en ny gruppe af fotosyntetiske alveolater kaldet Chromerida repræsenterede et sandt gennembrud i denne henseende (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Disse alger indeholder relativt bevarede plastidgenomer med et genrepertoire, der overlapper med genrepertoiret hos apicomplexan- og dinoflagellatplastiderne. Desuden blev det utvetydigt vist, at chromeridplastiden er den nærmeste kendte fototrofe slægtning til apikoplasten. Akkumulerende beviser, der stammer fra kernekodede gener, viste yderligere, at chromerider deler en fælles forfædre med Apicomplexa (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).