Apicomplexa

1 Einleitung

Das Phylum Apicomplexa ist eine Gruppe von einzelligen Eukaryoten, die als obligate Parasiten von Tieren leben. Diese Protisten infizieren metazoische Wirte, die von wirbellosen Tieren wie Polychaeten (Rueckert et al., 2010), Sipunculiden (Leander, 2006), Kopffüßern (Kopečná et al., 2006) oder verschiedenen Insekten (Hecker et al., 2002) bis hin zu Reptilien, Amphibien und Säugetieren, einschließlich des Menschen (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996) reichen. Zu den Apicomplexa gehören auch Plasmodium, der Erreger der Malaria, der verheerendsten parasitären Erkrankung des Menschen, und das Kokzidium Toxoplasma gondii, der wahrscheinlich häufigste Parasit des Menschen, der sein Verhalten beeinflussen soll (Flegr, 2007). Als eine der artenreichsten eukaryotischen Gruppen mit schätzungsweise über einer Million Arten (Pawlowski et al., 2012) überrascht es nicht, dass zu den Apikomplexen viele Parasiten von Wild- und Haustieren gehören (Chartier und Paraud, 2012). Taxonomisch gehören Apicomplexan-Parasiten zu den Alveolaten, einer Gruppe von Protisten, zu der auch Ciliaten (Ciliophora) gehören, meist freilebende heterotrophe Protisten, die zahlreiche Cilien auf ihrer Zelloberfläche und ein einzigartiges genetisches System von Makro- und Mikronuklei besitzen, sowie meist phototrophe Dinoflagellaten (Dinophyta), Algen mit verschiedenen komplexen Plastiden, die in aquatischen Umgebungen von großer ökologischer Bedeutung sind (Adl et al, 2012).

Die meisten Apikomplexe enthalten eine Reihe von charakteristischen Strukturen, insbesondere den apikalen Komplex und den Apikoplast. Während der apikale Komplex, ein ausgeklügelter Apparat, der in der Regel aus dem Conoid-Rink, Rhoptrien und Mikronemen besteht, dazu dient, in die Wirtszelle einzudringen, stellt der Apicoplast ein sekundäres nichtphotosynthetisches Plastid dar, das von einer vermeintlich photosynthetischen Organelle stammt. Dieses Restplastid ist von vier Membranen umgeben, was seinen komplexen Ursprung in einem sekundären oder tertiären endosymbiotischen Ereignis widerspiegelt (nachzulesen in Foth und McFadden, 2003; Lim und McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Sein Genom ist stark reduziert auf einen 35 kb langen DNA-Kreis (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) und enthält keine Spuren von Genen, die an der Photosynthese beteiligt sind. Die Genomstruktur des Apikoplasten, der Geninhalt und die Gensyntenie sind unter den Apikomplexen ziemlich konserviert, was für einen einzigen Ursprung dieser ehemals photosynthetischen Organelle spricht (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Allerdings besitzen nicht alle Apicomplexa ein Plastid. Es wurde nachgewiesen, dass Mitglieder der Gattung Cryptosporidium, die im Darm von Wirbeltieren einschließlich des Menschen parasitieren, keinen Apicoplast besitzen (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Darüber hinaus scheiterten alle Versuche, diese Organelle in Eugregarinen, frühen verzweigten Apikomplexen mit riesigen Zellen, die mit den Wirbeltierwirten assoziiert sind, nachzuweisen (Toso und Omoto, 2007). Nach der molekularen Phylogenie (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) und einigen morphologischen Synapomorphien (Valigurová et al., 2007) scheinen die beiden oben genannten Gruppen eng miteinander verwandt zu sein. Wir vermuten, dass diese Apikomplexe ihr Plastid kurz nach dessen Erwerb verloren haben, bevor das Organell fest etabliert und für das Überleben des Parasiten unentbehrlich wurde (Oborník et al., 2009).

Dennoch wurde der Apikoplast in den artenreichsten und am weitesten verbreiteten Gruppen von Apikomplex-Parasiten wie Coccidia, Piroplasmida und Haemosporidia gefunden (Lim und McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). Bei dem am besten untersuchten Plasmodium falciparum hat sich dieses Reliktplastid als essentiell für die Zelle erwiesen; seine Unterbrechung führt zum sogenannten verzögerten Tod (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Der Apikoplast stellt daher ein neues vielversprechendes Ziel, ja sogar die sprichwörtliche Achillesferse dieser Pathogene dar (Jomaa et al., 1999; McFadden und Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner und Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). Die Entdeckung dieser Organelle führte zu der bahnbrechenden Vermutung, dass sich diese heterotrophen Parasiten aus einem phototrophen Vorfahren, insbesondere einer Alge mit einem komplexen Plastid, entwickelt haben (McFadden et al., 1996). Obwohl der Apicoplast offenbar die Hauptfunktion des Plastids verloren hat und somit nicht mehr photosynthetisch ist, finden in dieser Organelle wahrscheinlich noch mehrere wesentliche Stoffwechselwege statt, wie die Häm-Biosynthese (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams und Keeling, 2003), die Fettsäuresynthese (Goodman und McFadden, 2008) oder der Syntheseweg für Isoprenoide, die nicht zu den Mevalonaten gehören (Jomaa et al., 1999; überarbeitet von Ralph et al., 2004). Es wurde vorgeschlagen, dass insbesondere der Häm-(Tetrapyrrol-)Biosyntheseweg eine wichtige Rolle bei den Plastidenverlusten spielt, die bekanntermaßen häufig auftreten, insbesondere während der Evolution von Alveolaten und Stramenopilen (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený und Oborník, 2011). Bei der Suche nach einem geeigneten Ziel für Malariamedikamente wurde dem Häm-Stoffwechselweg große Aufmerksamkeit geschenkt (Seeber und Soldati-Favre, 2010; van Dooren et al., 2012). Kürzlich wurde jedoch durch eine elegante chemische Rettung von Plasmodium, das vom Apicoplast befreit wurde, gezeigt, dass die einzige wirklich essentielle Verbindung, die vom Apicoplast produziert wird, Isopentenylpyrophosphat ist, ein Produkt des Nicht-Mevalonat-Isoprenoid-Wegs (Yeh und DeRisi, 2011), für die erythrozytären (= blutbildenden) Stadien.

Dank der Anzahl der Membranen, die den Apikoplast umgeben, war es offensichtlich, dass es sich um ein komplexes Plastid handelt, das aus einem zumindest sekundären endosymbiotischen Ereignis stammt (Köhler et al., 1997; McFadden et al., 1996), war seine genaue Herkunft aus der grünen oder roten Plastidenlinie lange Zeit unbekannt geblieben. Bisher sind nur zwei Gruppen von Algen mit sekundärem Grünplastid bekannt, nämlich die photosynthetischen Euglenophyta und Chlorarachniophyta, die zu den Exkavaten bzw. Rhizariern gehören. Es wird angenommen, dass beide Protistengruppen ihre Plastiden erst vor relativ kurzer Zeit erworben haben (Archibald, 2012). Alle anderen Algengruppen, von denen bekannt ist, dass sie sekundäre Plastiden besitzen, wie Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta und Haptophyta, haben diese über eine endosymbiotische Beziehung mit einer Rotalge erhalten. Doch selbst innerhalb der Dinoflagellaten, einer artenreichen Gruppe alveolatischer Algen, die meist ein sekundäres rotes Plastid besitzen, wurden zwei Arten (Lepidodinium viride und L. chlorophorum) mit einem grünen sekundären Plastid beschrieben (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Vor der Entdeckung der Chromeride (Moore et al., 2008) stellten die Dinoflagellaten aufgrund ihrer Schwesterposition zu den Apicomplexa die nächsten bekannten phototrophen Verwandten dieser obligaten Parasiten dar (Zhang et al., 2000). Da der Apicoplast jedoch alle photosynthetischen Funktionen verloren hat und das Genom des peridininpigmentierten Plastids der Dinoflagellaten auf einen extrem schmalen Satz photosynthetischer Gene reduziert wurde (Barbrook und Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), überschneiden sich die Plastidgenome dieser verwandten Alveolaten praktisch nicht (Keeling, 2008) und sind daher nicht sinnvoll vergleichbar. Die einzigen Gene, die beide Gruppen gemeinsam haben, sind diejenigen, die für rRNAs kodieren; ihr extremer AT-Reichtum und ihre Divergenz machen jedoch eine zuverlässige phylogenetische Analyse höchst fragwürdig (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Folglich führten zahlreiche phylogenetische Analysen der Apikoplastengene zu widersprüchlichen Ergebnissen. Während die auf dem tufA-Gen basierenden Analysen den Ursprung des Apikoplasten innerhalb der grünen Linie unterstützten (Egea und LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), vermuteten andere Autoren seinen Ursprung außerhalb der grünen Linie (Blanchard und Hicks, 1999) oder innerhalb der roten Plastidenlinie (Williamson et al., 1994). Für den letztgenannten Ursprung spricht auch die Struktur des Superplastiden-Operons des Apikoplasten-Genoms, das Gen Synteny, das eher zu den roten als zu den grünen Plastiden-Genomen homolog ist (Blanchard und Hicks, 1999; McFadden und Waller, 1997; Stoebe und Kowallik, 1999; Zhang et al., 2000). Trotzdem kam das grüne Szenario noch einmal ins Spiel, als die eindeutig aufgespaltenen cox2-Gene in den Kerngenomen sowohl von Apikomplexen als auch von Leguminosen gefunden wurden (Funes et al., 2002). Andere Forscher haben jedoch gezeigt, dass eine solche Anordnung bereits bei Wimpertierchen vorhanden ist und sich offensichtlich im Laufe der Evolution mehrfach entwickelt hat (Waller und Keeling, 2006; Waller et al., 2003). Die unklare Phylogenie des Apicoplasten spiegelt die extreme Divergenz seiner sich schnell entwickelnden Gene wider. In der Tat kann der AT-Gehalt der Apicoplast-Gene von P. falciparum bis zu 97 % erreichen, und phylogenetische Analysen solch voreingenommener Sequenzen werden durch verschiedene phylogenetische Artefakte stark beeinträchtigt, einschließlich des Phänomens der „long-branch attraction“ (Dacks et al., 2002).

Doch die Entdeckung einer neuen Gruppe photosynthetischer Alveolaten, der Chromerida, stellte in dieser Hinsicht einen echten Durchbruch dar (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Diese Algen enthalten relativ konservierte Plastidengenome, deren Genrepertoire sich mit dem der Plastiden von Apikomplexen und Dinoflagellaten überschneidet. Darüber hinaus konnte eindeutig gezeigt werden, dass das Chromeridplastid dem Apicoplasten am nächsten steht und phototroph ist. Die sich häufenden Beweise, die sich aus den im Zellkern kodierten Genen ableiten, zeigten außerdem, dass Chromeride einen gemeinsamen Ursprung mit den Apicomplexa haben (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).