Apicomplexa

1 Johdanto

Sukupolvi Apicomplexa on ryhmä yksisoluisia eukaryootteja, jotka elävät eläinten pakollisina loisina. Nämä protistit infektoivat metazoan-isäntiä selkärangattomista, kuten monisukasmatoista (Rueckert ym., 2010), sipunculideista (Leander, 2006), pääjalkaisista nilviäisistä (Kopečná ym., 2006) tai erilaisista hyönteisistä (Hecker ym., 2002), matelijoihin, sammakkoeläimiin ja nisäkkäisiin, mukaan lukien ihminen (Duszynski ym., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa sisältää myös Plasmodiumin, ihmisen tuhoisimman loistaudin malarian aiheuttajan, ja kokkidion Toxoplasma gondii:n, joka on todennäköisesti ihmisen yleisin loinen, jolla on ehdotettu olevan vaikutusta ihmisen käyttäytymiseen (Flegr, 2007). Yhtenä lajirikkaimmista eukaryoottiryhmistä, jossa on arviolta yli miljoona lajia (Pawlowski et al., 2012), ei ole yllättävää, että apicomplexans-heimoon kuuluu monia luonnonvaraisten ja kotieläinten loisia (Chartier ja Paraud, 2012). Apicomplexan-parasiitit kuuluvat taksonomisesti alveolaatteihin, protistien ryhmään, johon kuuluvat myös sädesienet (Ciliophora), yleensä vapaasti elävät heterotrofiset protistit, joilla on lukuisia sädekehiä solujensa pinnalla ja ainutlaatuinen geneettinen järjestelmä makro- ja mikrotumakkeista, sekä enimmäkseen fototrofiset dinoflagellaatit (Dinophyta), erilaisilla monimutkaisilla plastideilla varustetut levät, joilla on suuri ekologinen merkitys vesiympäristöissä (Adl et al., 2012).

Useimpien apikompleksisten tiedetään sisältävän joukon tyypillisiä rakenteita, erityisesti apikaalisen kompleksin ja apikoplastin. Kun apikaalinen kompleksi, kehittynyt laite, joka koostuu tavallisesti kartiorinkistä, rhoptrioista ja mikroneemeistä, tunkeutuu isäntäsoluun, apikoplast edustaa sekundaarista ei-fotosynteettistä plastidia, joka on peräisin oletettavasti fotosynteettisestä organellista. Tätä jäännösplastidia ympäröi neljä kalvoa, mikä kuvastaa sen monimutkaista alkuperää sekundaarisessa tai tertiäärisessä endosymbioottisessa tapahtumassa (ks. Foth ja McFadden, 2003; Lim ja McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Sen genomi on hyvin pelkistetty 35 kb:n pituiseen DNA-ympyrään (Gardner ym., 1991; Kilejian, 1975), eikä siinä ole jälkiä fotosynteesiin osallistuvista geeneistä. Apikoplastin genomin rakenne, geenipitoisuus ja geenisyntenia ovat varsin konservoituneita apikompleksisten keskuudessa, mikä tukee tämän aiemmin fotosynteesiä harjoittaneen organellin yhtä alkuperää (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Kaikki apicomplexanit eivät kuitenkaan kanna plastidia. On osoitettu, että Cryptosporidium-suvun jäseniltä, jotka loisevat selkärankaisten, myös ihmisen, suolistossa, puuttuu apikoplasti (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Lisäksi kaikki yritykset havaita tämä organelli eugregarineissa, varhaisissa haarautuvissa apikompleksilajeissa, joiden valtavat solut liittyvät selkärangattomiin isäntiin, ovat myös epäonnistuneet (Toso ja Omoto, 2007). Molekyylifylogenian (Carreno ym., 1999; Zhu ym., 2000b) ja joidenkin morfologisten synapomorfioiden (Valigurová ym., 2007) perusteella molemmat edellä mainitut ryhmät näyttävät olevan läheistä sukua. Oletamme, että nämä apikompleksit menettivät plastidin pian sen hankkimisen jälkeen, ennen kuin organellista tuli vakiintunut ja välttämätön loisen eloonjäämiselle (Oborník ym., 2009).

Siltikin apikoplastia on löydetty apikompleksisten loisten lajirikkaimmissa ja laajimmalle levinneissä ryhmissä, kuten Coccidia-, Piroplasmida- ja Haemosporidia-parasiiteissa (Lim ja McFadden, 2010; Oborník ym., 2009). Parhaiten tutkitussa Plasmodium falciparum -bakteerissa tämä reliktiivinen plastidi osoittautui solun kannalta välttämättömäksi, ja sen hajoaminen johtaa niin sanottuun viivästyneeseen kuolemaan (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Apikoplasti edustaa näin ollen uutta lupaavaa kohdetta, jopa näiden patogeenien sananlaskettua Akilleen kantapäätä (Jomaa ym., 1999; McFadden ja Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner ja Jomaa, 2007; Wiesner ym., 2008). Tämän organellin löytäminen johti uraauurtavaan ehdotukseen, jonka mukaan nämä heterotrofiset loiset olivat kehittyneet fototrofisesta esi-isästä, erityisesti levästä, jossa oli monimutkainen plastidi (McFadden ym., 1996). Vaikka apikoplasti on ilmeisesti menettänyt pääasiallisen plastiditoimintonsa eikä siten ole enää fotosynteettinen, tässä organellissa tapahtuu edelleen useita todennäköisesti olennaisia aineenvaihduntareittejä, kuten hemibiosynteesi (Kořený ym., 2011, 2013; van Dooren ym., 2012; Wilson, 2002; Williams ja Keeling, 2003), rasvahapposynteesi (Goodman ja McFadden, 2008) tai muiden kuin mevalonaattisoprenoidien synteesireittiä (Jomaa ym., 1999; katsaus Ralph ym., 2004). On ehdotettu, että erityisesti hemi(tetrapyrroli)biosynteesireitillä on tärkeä rooli plastidien häviöissä, joita tiedetään tapahtuvan usein erityisesti alveolaattien ja stramenopiilien evoluution aikana (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený ja Oborník, 2011). Itse asiassa heme-reittiin on kiinnitetty huomattavaa huomiota etsittäessä sopivaa malarialääkekohdetta (Seeber ja Soldati-Favre, 2010; van Dooren ym., 2012). Hiljattain on kuitenkin osoitettu tyylikkäällä kemiallisella pelastusmenetelmällä apikoplastista vapautetun Plasmodiumin osalta, että sen erytrosyyttivaiheissa (= verenkierrossa) ainoa todella välttämätön apikoplastin tuottama yhdiste on isopentenyylipyrofosfaatti, joka on ei-mevalonaatti-isoprenoidireitin tuote (Yeh ja DeRisi, 2011).

Vaikka apikoplastia ympäröivien kalvojen lukumäärän ansiosta oli ilmeistä, että se on monimutkainen plastidi, joka on peräisin ainakin toissijaisesta endosymbioottisesta tapahtumasta (Köhler et al., 1997; McFadden et al., 1996), sen erityinen alkuperä vihreän tai punaisen plastidin sukulinjasta oli pitkään ollut tuntematon. Toistaiseksi tunnetaan vain kaksi leväryhmää, joilla on sekundaarinen vihreä plastidi, nimittäin fotosynteettiset Euglenophyta- ja Chlorarachniophyta-leväryhmät, jotka kuuluvat kaivautuviin ja juurikääviin. Molempien alkueläinryhmien oletetaan saaneen plastidinsa suhteellisen hiljattain (Archibald, 2012). Kaikki muut leväryhmät, joilla tiedetään olevan sekundaariplastideja, kuten Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta ja Haptophyta, ovat saaneet ne endosymbioottisen suhteen kautta punalevän kanssa. Kuitenkin jopa dinoflagellaattien sisällä, joka on lajirikas ryhmä alveolaattisia leviä, joilla on useimmiten sekundaarinen punainen plastidi, on kuvattu kaksi lajia (Lepidodinium viride ja L. chlorophorum), joilla on vihreä sekundaarinen plastidi (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Ennen kromeridien löytymistä (Moore et al., 2008) dinoflagellaatit edustivat Apicomplexan sisaraseman vuoksi näiden pakollisten loisten lähimpiä tunnettuja fototrofisia sukulaisia (Zhang et al., 2000). Valitettavasti, koska apikoplastista on kadonnut kaikki fotosynteettiset toiminnot ja koska dinoflagellaattien peridiniinipigmenttisen plastidin genomi on supistunut äärimmäisen kapeaksi fotosynteettisten geenien joukoksi (Barbrook ja Howe, 2000; Green, 2004; Zhang ym., 1999), näiden sukua olevien alveolaattien plastidien genomit eivät käytännöllisesti katsoen ole päällekkäisiä (Keeling, 2008), ja ne ovat siten mielekkään vertailun ulkopuolella. Molempien ryhmien ainoat yhteiset geenit ovat rRNA:ta koodaavat geenit; niiden äärimmäinen AT-rikkaus ja eroavaisuus tekevät kuitenkin luotettavan fylogeneettisen analyysin erittäin kyseenalaiseksi (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Näin ollen lukuisat apikoplastigeenien fylogeneettiset analyysit johtivat ristiriitaisiin tuloksiin. Vaikka tufA-geeniin perustuvat analyysit tukivat apikoplastin alkuperää vihreän linjan sisältä (Egea ja LangUnnasch, 1995; Köhler ym., 1997), toiset kirjoittajat ehdottivat sen alkuperää vihreän linjan ulkopuolelta (Blanchard ja Hicks, 1999) tai punaisen plastidin linjan sisältä (Williamson ym., 1994). Jälkimmäistä alkuperää tukee myös apikoplastin genomin superplastidioperonin, geenin syntenian, rakenne, joka on homologinen pikemminkin punaisten kuin vihreiden plastidien genomille (Blanchard ja Hicks, 1999; McFadden ja Waller, 1997; Stoebe ja Kowallik, 1999; Zhang ym., 2000). Tästä huolimatta vihreä skenaario tuli jälleen kerran mukaan peliin, kun ainutlaatuisesti jakautuneet cox2-geenit löydettiin sekä apikompleksisten että palkokasvien ydingenomeista (Funes ym., 2002). Muut tutkijat ovat kuitenkin osoittaneet, että tällainen järjestely esiintyy jo sädesienissä ja oli ilmeisesti kehittynyt useita kertoja evoluution aikana (Waller ja Keeling, 2006; Waller ym., 2003). Apikoplastin epäselvä fylogenia heijastaa sen nopeasti kehittyvien geenien äärimmäistä eroavaisuutta. P. falciparum -apikoplastin geenien AT-pitoisuus voi nimittäin nousta jopa 97 prosenttiin, ja tällaisten vinoutuneiden sekvenssien fylogeneettisiin analyyseihin vaikuttavat voimakkaasti erilaiset fylogeneettiset artefaktit, mukaan lukien pitkien haarojen vetovoima -ilmiö (Dacks et al., 2002).

Uuden fotosynteettisten alveolaattien ryhmän Chromerida löytyminen oli kuitenkin todellinen läpimurto tässä suhteessa (Moore ym., 2008; Oborník ym., 2012). Näillä levillä on suhteellisen konservoitunut plastidigenomi, jonka geenirepertuaari on päällekkäinen apikompleksisten ja dinoflagellaattisten plastidien kanssa. Lisäksi osoitettiin yksiselitteisesti, että kromeridiplastidi on lähin tunnettu fototrofinen sukulainen apikoplastille. Kertyvä todistusaineisto, joka on peräisin ytimen koodatuista geeneistä, osoitti lisäksi, että kromeridit ovat yhteistä sukua Apicomplexan kanssa (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).