Apicomplexa

1 Introduzione

Il phylum Apicomplexa è un gruppo di eucarioti monocellulari che vivono come parassiti obbligatori degli animali. Questi protisti infettano ospiti metazoi che vanno da invertebrati, come policheti (Rueckert et al., 2010), sipunculidi (Leander, 2006), molluschi cefalici (Kopečná et al., 2006), o vari insetti (Hecker et al., 2002), a rettili, anfibi e mammiferi, compresi gli esseri umani (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996). Gli Apicomplexa contengono anche il Plasmodium, gli agenti causali della malaria, la più devastante malattia parassitaria degli esseri umani, e il coccidio Toxoplasma gondii, probabilmente il parassita più prevalente degli esseri umani con proposta influenza sul loro comportamento (Flegr, 2007). Essendo uno dei gruppi eucarioti più specializzati con una stima di oltre un milione di specie (Pawlowski et al., 2012), non sorprende che gli apicomplexa includano molti parassiti di animali selvatici e domestici (Chartier e Paraud, 2012). I parassiti Apicomplexa appartengono tassonomicamente agli alveolati, un gruppo di protisti che comprende anche i ciliati (Ciliophora), solitamente protisti eterotrofi a vita libera che possiedono numerose ciglia sulla loro superficie cellulare e un sistema genetico unico di macro- e micronuclei, e soprattutto i dinoflagellati fototrofi (Dinophyta), alghe con vari plastidi complessi che sono di grande importanza ecologica negli ambienti acquatici (Adl et al., 2012).

La maggior parte degli apicomplexa sono noti per contenere un insieme di strutture caratteristiche, in particolare, il complesso apicale e l’apicoplasto. Mentre il complesso apicale, un sofisticato apparato di solito composto dalla pista conoide, dai rospi e dai micronemi, viene utilizzato per penetrare nella cellula ospite, l’apicoplasto rappresenta un plastide secondario non fotosintetico derivato da un organello putativamente fotosintetico. Questo plastide residuo è circondato da quattro membrane che riflettono la sua origine complessa in un evento endosimbiotico secondario o terziario (rivisto in Foth e McFadden, 2003; Lim e McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Il suo genoma è altamente ridotto al cerchio di 35 kb di DNA (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) e manca qualsiasi traccia di geni coinvolti nella fotosintesi. La struttura del genoma dell’apicoplasto, il contenuto genico e la sinteticità dei geni sono abbastanza conservati tra gli apicomplexani, a sostegno di un’unica origine di questo organello precedentemente fotosintetico (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Tuttavia, non tutti gli apicomplexani portano un plastidio. È stato dimostrato che i membri del genere Cryptosporidium, che parassitano l’intestino dei vertebrati compresi gli esseri umani, mancano dell’apicoplasto (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Inoltre, tutti i tentativi di individuare questo organello nelle eugregarine, apicomplexani ramificati precoci con cellule enormi associate agli ospiti invertebrati, sono falliti (Toso e Omoto, 2007). Secondo la filogenesi molecolare (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) e alcune sinapomorfie morfologiche (Valigurová et al., 2007), i due gruppi citati sembrano essere strettamente correlati. Supponiamo che questi apicomplexani abbiano perso il loro plastidio poco dopo la sua acquisizione, prima che l’organello diventasse saldamente stabilito e indispensabile per la sopravvivenza del parassita (Oborník et al., 2009).

Ancora, l’apicoplasto è stato trovato nei gruppi più ricchi di specie e diffusi di parassiti apicomplexa, come Coccidia, Piroplasmida, e Haemosporidia (Lim e McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). Nel Plasmodium falciparum meglio studiato, questo plastidio relitto si è dimostrato essenziale per la cellula, la sua rottura porta al cosiddetto effetto di morte ritardata (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). L’apicoplasto rappresenta quindi un nuovo bersaglio promettente, addirittura un proverbiale tallone d’Achille di questi patogeni (Jomaa et al., 1999; McFadden e Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner e Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). La scoperta di questo organello ha portato al suggerimento innovativo che questi parassiti eterotrofi si sono evoluti da un antenato fototrofo, in particolare, un’alga che ospita un plastide complesso (McFadden et al., 1996). Anche se l’apicoplasto ha apparentemente perso la funzione principale di plastide e quindi non è più fotosintetico, diverse vie metaboliche probabilmente essenziali hanno ancora luogo in questo organello, come la biosintesi dell’eme (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams e Keeling, 2003), la sintesi degli acidi grassi (Goodman e McFadden, 2008), o la via sintetica degli isoprenoidi non mevalonati (Jomaa et al., 1999; rivisto da Ralph et al., 2004). È stato proposto che in particolare la via biosintetica dell’eme (tetrapirrolo) giochi un ruolo importante nelle perdite plastidiche, che sono note per verificarsi frequentemente, soprattutto durante l’evoluzione degli alveolati e degli stramenopili (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený e Oborník, 2011). In effetti, è stata prestata una notevole attenzione al percorso dell’eme nella ricerca di un bersaglio farmacologico antimalarico adatto (Seeber e Soldati-Favre, 2010; van Dooren et al., 2012). Tuttavia, è stato dimostrato recentemente da un elegante salvataggio chimico del Plasmodium liberato dall’apicoplasto che per i suoi stadi eritrocitari (= sanguigni), l’unico composto veramente essenziale prodotto dall’apicoplasto è l’isopentenil pirofosfato, un prodotto della via dell’isoprenoide nonmevalonato (Yeh e DeRisi, 2011).

Anche se grazie al numero di membrane che circondano l’apicoplasto era evidente che si tratta di un plastide complesso originato da un evento endosimbiotico almeno secondario (Köhler et al, 1997; McFadden et al., 1996), la sua particolare origine all’interno della stirpe dei plastidi verdi o rossi è rimasta a lungo sconosciuta. Finora si conoscono solo due gruppi di alghe con plastidio verde secondario, cioè i fotosintetici Euglenophyta e Chlorarachniophyta, appartenenti rispettivamente agli escavatori e ai rizari. Si suppone che entrambi i gruppi di protisti abbiano acquisito i loro plastidi in tempi relativamente recenti (Archibald, 2012). Tutti gli altri gruppi di alghe noti per ospitare plastidi secondari, come Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta e Haptophyta, li hanno ottenuti attraverso la relazione endosimbiotica con un’alga rossa. Tuttavia, anche all’interno dei dinoflagellati, un gruppo ricco di specie di alghe alveolate che possiedono principalmente un plastide secondario rosso, sono state descritte due specie (Lepidodinium viride e L. chlorophorum) con il plastide secondario verde (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Prima della scoperta dei cromeridi (Moore et al., 2008), i dinoflagellati rappresentavano, a causa della loro posizione sorella agli Apicomplexa, i parenti fototrofi più vicini conosciuti di questi parassiti obbligatori (Zhang et al., 2000). Sfortunatamente, poiché l’apicoplasto ha perso tutte le sue funzioni fotosintetiche e poiché il genoma del plastide peridinico-pigmentato dei dinoflagellati è stato ridotto a un insieme estremamente ristretto di geni fotosintetici (Barbrook e Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), i genomi dei plastidi di questi alveolati affini virtualmente non si sovrappongono (Keeling, 2008) e sono, quindi, al di là di un confronto significativo. Gli unici geni condivisi da entrambi i gruppi sono quelli che codificano per gli rRNA; tuttavia, la loro estrema ricchezza e divergenza di AT rende un’analisi filogenetica affidabile altamente discutibile (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Di conseguenza, numerose analisi filogenetiche dei geni dell’apicoplasto hanno portato a risultati contraddittori. Mentre le analisi basate sul gene tufA hanno sostenuto l’origine dell’apicoplasto dall’interno del lineage verde (Egea e LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), altri autori hanno suggerito la sua origine al di fuori del lineage verde (Blanchard e Hicks, 1999) o all’interno del lineage dei plastidi rossi (Williamson et al., 1994). Quest’ultima origine è ulteriormente supportata dalla struttura dell’operone super plastidico del genoma dell’apicoplasto, il gene synteny, che è omologo ai genomi dei plastidi rossi piuttosto che a quelli verdi (Blanchard e Hicks, 1999; McFadden e Waller, 1997; Stoebe e Kowallik, 1999; Zhang et al., 2000). Nonostante ciò, lo scenario verde è entrato di nuovo in gioco, quando i geni cox2 divisi in modo unico sono stati trovati nei genomi nucleari sia degli apicomplexani che delle leguminose (Funes et al., 2002). Tuttavia, altri ricercatori hanno dimostrato che tale disposizione è presente già nei ciliati e si era ovviamente evoluta più volte durante l’evoluzione (Waller e Keeling, 2006; Waller et al., 2003). L’ambigua filogenesi dell’apicoplasto riflette l’estrema divergenza dei suoi geni in rapida evoluzione. Infatti, il contenuto di AT dei geni dell’apicoplasto di P. falciparum può raggiungere fino al 97% e le analisi filogenetiche di tali sequenze distorte sono pesantemente influenzate da vari artefatti filogenetici, compreso il fenomeno di attrazione dei rami lunghi (Dacks et al., 2002).

Tuttavia, la scoperta di un nuovo gruppo di alveoli fotosintetici chiamati Chromerida ha rappresentato una vera svolta in questo senso (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Queste alghe contengono genomi plastidici relativamente conservati con il repertorio genico che si sovrappone a quelli dei plastidi degli apicomplexa e dei dinoflagellati. Inoltre, è stato inequivocabilmente dimostrato che il plastidio dei cromeridi è il parente fototrofico più vicino all’apicoplasto. L’accumulo di prove derivate dai geni codificati dal nucleo ha ulteriormente dimostrato che i cromeridi condividono un’ascendenza comune con gli Apicomplexa (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).