Apicomplexa

1 Inleiding

Het phylum Apicomplexa is een groep eencellige eukaryoten die leven als obligate parasieten van dieren. Deze protisten infecteren metazoan gastheren variërend van ongewervelden, zoals polychaeten (Rueckert et al., 2010), sipunculiden (Leander, 2006), koppotige weekdieren (Kopečná et al., 2006), of verschillende insecten (Hecker et al., 2002), tot reptielen, amfibieën en zoogdieren, waaronder de mens (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa bevat ook Plasmodium, de veroorzaker van malaria, de meest verwoestende parasitaire ziekte van de mens, en de coccidium Toxoplasma gondii, waarschijnlijk de meest voorkomende parasiet van de mens met voorgestelde invloed op hun gedrag (Flegr, 2007). Als een van de meest speciose eukaryotische groepen met een schatting van meer dan een miljoen soorten (Pawlowski et al., 2012), is het niet verrassend dat de apicomplexanen veel parasieten van wilde en gedomesticeerde dieren omvatten (Chartier en Paraud, 2012). Apicomplexaanse parasieten behoren taxonomisch tot de alveolaten, een groep van protisten, waartoe ook de ciliaten (Ciliophora) behoren, meestal vrij levende heterotrofe protisten met talrijke trilhaartjes op hun celoppervlak en een uniek genetisch systeem van macro- en micronuclei, en meestal fototrofe dinoflagellaten (Dinophyta), algen met diverse complexe plastiden die van groot ecologisch belang zijn in aquatische milieus (Adl et al, 2012).

Van de meeste apicomplexanen is bekend dat zij een reeks karakteristieke structuren bevatten, met name het apicale complex en de apicoplast. Terwijl het apicomplex, een geavanceerd apparaat dat gewoonlijk bestaat uit de conoide rink, rhoptries en micronemes, wordt gebruikt om de gastheercel binnen te dringen, vertegenwoordigt de apicoplast een secundaire niet-fotosynthetische plastide die is afgeleid van een vermeend fotosynthetisch organel. Deze overblijvende plastide is omgeven door vier membranen, wat wijst op haar complexe oorsprong in een secundaire of tertiaire endosymbiotische gebeurtenis (besproken in Foth en McFadden, 2003; Lim en McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Zijn genoom is sterk gereduceerd tot de 35 kb lange DNA-cirkel (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) en ontbeert sporen van genen die betrokken zijn bij de fotosynthese. De structuur van het apicoplastgenoom, de geninhoud en de genensynthesesyntheses zijn vrij goed geconserveerd bij de apicomplexanen, wat één enkele oorsprong van dit vroeger fotosynthetische organel ondersteunt (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Niet alle apicomplexanen bezitten echter een plastide. Het is bewezen dat leden van het genus Cryptosporidium, die parasiteren in de darm van gewervelde dieren, waaronder de mens, geen apicoplast hebben (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Bovendien mislukten alle pogingen om dit organel te detecteren bij eugregarines, vroeg vertakkende apicomplexanen met enorme cellen die geassocieerd zijn met de ongewervelde gastheren (Toso en Omoto, 2007). Volgens moleculaire fylogenie (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) en enkele morfologische synapomorfieën (Valigurová et al., 2007), lijken beide bovengenoemde groepen nauw verwant te zijn. We veronderstellen dat deze apicomplexanen hun plastide verloren kort na de verwerving ervan, voordat het organel stevig gevestigd en onmisbaar werd voor de overleving van de parasiet (Oborník et al., 2009).

Toch is de apicoplast gevonden in de meest soortenrijke en wijdverspreide groepen van apicomplexaanse parasieten, zoals Coccidia, Piroplasmida, en Haemosporidia (Lim en McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). Bij de best bestudeerde Plasmodium falciparum werd aangetoond dat deze relikwie plastide essentieel is voor de cel, en dat de verstoring ervan leidt tot het zogenaamde vertraagde doodseffect (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Het apicoplast vormt derhalve een nieuw veelbelovend doelwit, zelfs een spreekwoordelijke achilleshiel van deze pathogenen (Jomaa et al., 1999; McFadden en Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner en Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). De ontdekking van dit organel leidde tot de baanbrekende suggestie dat deze heterotrofe parasieten waren geëvolueerd uit een fototrofe voorouder, met name een alg met een complexe plastide (McFadden et al., 1996). Hoewel de apicoplast blijkbaar de belangrijkste plastidfunctie heeft verloren en dus niet meer fotosynthetisch is, vinden verschillende waarschijnlijk essentiële metabolische routes nog steeds plaats in dit organel, zoals de heembiosynthese (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams and Keeling, 2003), vetzuursynthese (Goodman and McFadden, 2008), of de niet-mevalonaat isoprenoïde synthetische route (Jomaa et al., 1999; herzien door Ralph et al., 2004). Er is voorgesteld dat met name de biosyntheseweg van heem (tetrapyrrool) een belangrijke rol speelt bij de plastide verliezen, waarvan bekend is dat ze vaak optreden, vooral tijdens de evolutie van alveolaten en stramenopielen (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený en Oborník, 2011). Er is veel aandacht besteed aan de heemroute bij het zoeken naar een geschikt doelwit voor antimalariamiddelen (Seeber en Soldati-Favre, 2010; van Dooren et al., 2012). Onlangs is echter door een elegante chemische redding van Plasmodium, bevrijd van de apicoplast, aangetoond dat voor zijn erytrocytische (= bloedstroom) stadia, de enige echt essentiële verbinding geproduceerd door de apicoplast isopentenyl pyrofosfaat is, een product van de niet-mevalonaat isoprenoïde route (Yeh en DeRisi, 2011).

Hoewel het dankzij het aantal membranen rond de apicoplast duidelijk was dat het om een complexe plastide gaat die afkomstig is van een op zijn minst secundaire endosymbiotische gebeurtenis (Köhler et al, 1997; McFadden et al., 1996), was zijn specifieke oorsprong binnen de groene of rode plastidenserie lange tijd onbekend gebleven. Tot dusver zijn slechts twee groepen algen met secundaire groene plastiden bekend, namelijk de fotosynthetische Euglenophyta en Chlorarachniophyta, die respectievelijk tot de graaf- en de rhizariërs behoren. Van beide protistengroepen wordt verondersteld dat zij hun plastiden vrij recent hebben verworven (Archibald, 2012). Alle andere groepen algen waarvan bekend is dat ze secundaire plastiden hebben, zoals Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta en Haptophyta, hebben die verkregen via de endosymbiotische relatie met een rode alg. Maar zelfs binnen de dinoflagellaten, een soortenrijke groep van alveolate algen die meestal een secundaire rode plastide bezitten, zijn twee soorten (Lepidodinium viride en L. chlorophorum) met de groene secundaire plastide beschreven (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Vóór de ontdekking van chromeriden (Moore et al., 2008) vertegenwoordigden de dinoflagellaten, door hun zusterpositie bij de Apicomplexa, de dichtstbijzijnde bekende fototrofe verwanten van deze obligate parasieten (Zhang et al., 2000). Helaas, aangezien de apicoplast al zijn fotosynthetische functies verloren heeft en aangezien het genoom van de peridinine-gepigmenteerde plastide van de dinoflagellaten gereduceerd werd tot een uiterst beperkte set fotosynthetische genen (Barbrook en Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), overlappen de plastide genomen van deze verwante alveolaten elkaar praktisch niet (Keeling, 2008) en zijn ze bijgevolg niet bruikbaar voor een vergelijking. De enige genen die door beide groepen worden gedeeld zijn die welke coderen voor rRNA’s; hun extreme AT-rijkdom en divergentie maken een betrouwbare fylogenetische analyse echter hoogst twijfelachtig (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Bijgevolg hebben talrijke fylogenetische analyses van de apicoplastgenen tot tegenstrijdige resultaten geleid. Terwijl de op het tufA-gen gebaseerde analyses de oorsprong van de apicoplast binnen de groene lineage ondersteunden (Egea en LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), suggereerden andere auteurs de oorsprong buiten de groene lineage (Blanchard en Hicks, 1999) of binnen de rode plastid lineage (Williamson et al., 1994). De laatste oorsprong wordt verder ondersteund door de structuur van het super plastid operon van het apicoplast genoom, gen synteny, dat homoloog is met de rode in plaats van de groene plastid genomen (Blanchard en Hicks, 1999; McFadden en Waller, 1997; Stoebe en Kowallik, 1999; Zhang et al., 2000). Desondanks kwam het groene scenario weer in het spel, toen de uniek gesplitste cox2 genen werden gevonden in de nucleaire genomen van zowel apicomplexanen als peulvruchten (Funes et al., 2002). Andere onderzoekers hebben echter aangetoond dat een dergelijke indeling al bij ciliaten voorkomt en kennelijk meerdere malen tijdens de evolutie was geëvolueerd (Waller en Keeling, 2006; Waller et al., 2003). De dubbelzinnige fylogenie van het apicoplast weerspiegelt de extreme divergentie van zijn snel evoluerende genen. Het AT gehalte van de P. falciparum apicoplast genen kan oplopen tot 97% en fylogenetische analyses van dergelijke vertekende sequenties worden sterk beïnvloed door verschillende fylogenetische artefacten, waaronder het “long-branch attraction” fenomeen (Dacks et al., 2002).

De ontdekking van een nieuwe groep fotosynthetische algen, Chromerida genaamd, betekende in dit opzicht echter een ware doorbraak (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Deze algen bevatten relatief geconserveerde plastidgenomen waarvan het genrepertoire overlapt met dat van de plastiden van apicomplexa en dinoflagellaten. Bovendien werd ondubbelzinnig aangetoond dat de chromeride plastide de dichtst bekende fototrofe verwant is van de apicoplast. Toenemend bewijs afgeleid van nucleus-gecodeerde genen toonde verder aan dat chromeriden een gemeenschappelijke afstamming delen met de Apicomplexa (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).