Apicomplexa

1 Wstęp

Flag Apicomplexa to grupa jednokomórkowych eukariotów żyjących jako obligatoryjne pasożyty zwierząt. Protisty te zarażają żywicieli metazoan, począwszy od bezkręgowców, takich jak wieloszczety (Rueckert i in., 2010), ślimaki (Leander, 2006), mięczaki głowonogi (Kopečná i in., 2006) lub różne owady (Hecker i in., 2002), do gadów, płazów i ssaków, w tym ludzi (Duszynski i in., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa zawierają również Plasmodium, czynnik wywołujący malarię, najbardziej wyniszczającą chorobę pasożytniczą człowieka, oraz kokcydia Toxoplasma gondii, prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionego pasożyta człowieka, mającego wpływ na jego zachowanie (Flegr, 2007). Jako jedna z najbardziej zróżnicowanych grup eukariotycznych, której liczebność szacuje się na ponad milion gatunków (Pawłowski i in., 2012), nie dziwi fakt, że do apikompleksów należy wiele pasożytów zwierząt dzikich i domowych (Chartier i Paraud, 2012). Pasożyty apikompleksów taksonomicznie należą do alweolanów, grupy protistów, do której zalicza się również rzęsistki (Ciliophora), zwykle wolno żyjące heterotroficzne protisty posiadające liczne rzęski na powierzchni komórek oraz unikalny system genetyczny makro- i mikrojąder, a także w większości fototroficzne dinoflagellaty (Dinophyta), glony z różnymi złożonymi plastydami, które mają duże znaczenie ekologiczne w środowiskach wodnych (Adl i in., 2012).

Większość apikompleksów, jak wiadomo, zawiera zestaw charakterystycznych struktur, w szczególności kompleks apikalny i apikoplast. Podczas gdy kompleks apikalny, wyrafinowany aparat składający się zwykle z liny konoidalnej, konopii i mikronemów, służy do wnikania do komórki gospodarza, apikoplast reprezentuje wtórny, niefotosyntetyczny plastyd pochodzący z prawdopodobnie fotosyntetycznej organelli. Ten szczątkowy plastyd jest otoczony czterema błonami, co wskazuje na jego złożone pochodzenie z wtórnego lub trzeciorzędowego zdarzenia endosymbiotycznego (patrz Foth i McFadden, 2003; Lim i McFadden, 2010; Oborník i in., 2009; Roos i in., 1999). Jego genom jest silnie zredukowany do kręgu DNA o długości 35 kb (Gardner i in., 1991; Kilejian, 1975) i pozbawiony śladów genów zaangażowanych w fotosyntezę. Struktura genomu apikoplastu, zawartość genów i synteza genów są dość dobrze zachowane wśród apikompleksów, co przemawia za jednym pochodzeniem tego dawniej fotosyntetyzującego organelle (Denny i in., 1998; Lang-Unnasch i in., 1998). Jednak nie wszystkie apikompleksy posiadają plastyd. Udowodniono, że członkowie rodzaju Cryptosporidium, pasożytujący w jelitach kręgowców, w tym człowieka, nie posiadają apikoplastu (Abrahamsen i in., 2004; Xu i in., 2004; Zhu i in., 2000a). Co więcej, wszelkie próby wykrycia tej organelli u eugregaryn, wczesnych rozgałęzionych apikompleksów o ogromnych komórkach związanych z bezkręgowcami, również kończyły się niepowodzeniem (Toso i Omoto, 2007). Według filogenezy molekularnej (Carreno i in., 1999; Zhu i in., 2000b) i niektórych synapomorfii morfologicznych (Valigurová i in., 2007), obie wyżej wymienione grupy wydają się być blisko spokrewnione. Przypuszczamy, że te apikompleksy utraciły swój plastyd wkrótce po jego nabyciu, zanim organella ta stała się mocno zakorzeniona i niezbędna do przeżycia pasożyta (Oborník i in., 2009).

Apikoplast został jednak znaleziony w najbardziej bogatych gatunkowo i rozpowszechnionych grupach pasożytów apikompleksowych, takich jak Coccidia, Piroplasmida i Haemosporidia (Lim i McFadden, 2010; Oborník i in., 2009). U najlepiej zbadanego Plasmodium falciparum wykazano, że ten reliktowy plastyd jest niezbędny dla komórki, a jego przerwanie prowadzi do tzw. efektu opóźnionej śmierci (Fichera i in., 1995; He i in., 2001; Pfefferkorn i in., 1992; Ramya i in., 2007). Apikoplast stanowi zatem nowy, obiecujący cel, a nawet przysłowiową piętę achillesową tych patogenów (Jomaa i in., 1999; McFadden i Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner i Jomaa, 2007; Wiesner i in., 2008). Odkrycie tej organelli doprowadziło do przełomowej sugestii, że te heterotroficzne pasożyty wyewoluowały z fototroficznego przodka, w szczególności z algi posiadającej złożony plastyd (McFadden i in., 1996). Chociaż apikoplast najwyraźniej utracił główną funkcję plastydową i w związku z tym nie jest już fotosyntetyczny, w organelli tej nadal zachodzi kilka prawdopodobnie istotnych szlaków metabolicznych, takich jak biosynteza hemu (Kořený i in., 2011, 2013; van Dooren i in., 2012; Wilson, 2002; Williams i Keeling, 2003), synteza kwasów tłuszczowych (Goodman i McFadden, 2008), czy szlak syntezy izoprenoidów niemewalonianowych (Jomaa i in., 1999; przegląd: Ralph i in., 2004). Postuluje się, że szczególnie szlak biosyntezy hemu (tetrapyrrolu) odgrywa istotną rolę w procesach utraty plastydów, które, jak wiadomo, występują często, zwłaszcza podczas ewolucji alweolanów i stramenopili (Barbrook i in., 2006; Kořený i in., 2011, 2012; Kořený i Oborník, 2011). Szlakowi hemowemu poświęca się wiele uwagi w poszukiwaniu odpowiedniego celu dla leków przeciwmalarycznych (Seeber i Soldati-Favre, 2010; van Dooren i in., 2012). Jednakże ostatnio wykazano, dzięki eleganckiemu chemicznemu ratowaniu Plasmodium pozbawionego apikoplastu, że dla jego erytrocytarnych (= krwiopijnych) stadiów jedynym naprawdę niezbędnym związkiem produkowanym przez apikoplast jest pirofosforan izopentenylu, produkt szlaku izoprenoidowego niemevalonianu (Yeh i DeRisi, 2011).

Ale dzięki liczbie błon otaczających apikoplast było oczywiste, że jest on złożonym plastydem pochodzącym z co najmniej wtórnego zdarzenia endosymbiotycznego (Köhler i in., 1997; McFadden i in., 1996), jego szczególne pochodzenie z linii plastydów zielonych lub czerwonych pozostawało przez długi czas nieznane. Dotychczas znane są tylko dwie grupy glonów z wtórnym zielonym plastydem, mianowicie fotosyntetyzujące Euglenophyta i Chlorarachniophyta, należące odpowiednio do wykopaliskowych i ryzaryjskich. Przypuszcza się, że obie grupy protistów nabyły plastyd stosunkowo niedawno (Archibald, 2012). Wszystkie inne grupy glonów, o których wiadomo, że posiadają plastyd wtórny, takie jak Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta i Haptophyta, uzyskały go w wyniku endosymbiotycznego związku z czerwoną algą. Jednak nawet wśród dinoflagellatów, bogatej w gatunki grupy glonów pęcherzykowatych, posiadających w większości wtórny plastyd czerwony, opisano dwa gatunki (Lepidodinium viride i L. chlorophorum) z zielonym plastydem wtórnym (Takishita i in., 2008; Watanabe i in., 1990). Przed odkryciem chromerydów (Moore i in., 2008) dinoflagellaty reprezentowały, ze względu na pozycję siostrzaną do Apicomplexa, najbliższych znanych fototroficznych krewnych tych obligatoryjnych pasożytów (Zhang i in., 2000). Niestety, ponieważ apikoplast utracił wszystkie swoje funkcje fotosyntetyczne, a genom perydynowo-pigmentowanego plastyda dinoflagellatów został zredukowany do niezwykle wąskiego zestawu genów fotosyntetycznych (Barbrook i Howe, 2000; Green, 2004; Zhang i in., 1999), genomy plastydów tych pokrewnych wyrostków praktycznie się nie pokrywają (Keeling, 2008) i w związku z tym są nie do porównania. Jedynymi genami wspólnymi dla obu grup są te, które kodują rRNA, jednak ich ekstremalne bogactwo AT i rozbieżność czynią wiarygodną analizę filogenetyczną wysoce wątpliwą (Dacks i in., 2002; Howe, 1992; Oborník i in., 2002; Zhang i in., 2000). W konsekwencji, liczne analizy filogenetyczne genów apikoplastu prowadziły do sprzecznych wyników. Podczas gdy analizy oparte na genie tufA przemawiały za pochodzeniem apikoplastu z linii zielonej (Egea i LangUnnasch, 1995; Köhler i in., 1997), inni autorzy sugerowali jego pochodzenie spoza linii zielonej (Blanchard i Hicks, 1999) lub z linii czerwonych plastydów (Williamson i in., 1994). Za tym drugim pochodzeniem przemawia struktura operonu superplastydowego genomu apikoplastu, gen synteny, który jest homologiczny raczej do genomów plastydów czerwonych niż zielonych (Blanchard i Hicks, 1999; McFadden i Waller, 1997; Stoebe i Kowallik, 1999; Zhang i in., 2000). Mimo to, zielony scenariusz ponownie wszedł do gry, gdy unikalnie rozszczepione geny cox2 znaleziono w genomach jądrowych zarówno apikompleksów, jak i roślin strączkowych (Funes i in., 2002). Inni badacze wykazali jednak, że taki układ jest obecny już u strzępek i najwyraźniej powstawał wielokrotnie w toku ewolucji (Waller i Keeling, 2006; Waller i in., 2003). Niejednoznaczna filogeneza apikoplastu odzwierciedla skrajną dywergencję jego szybko ewoluujących genów. Rzeczywiście, zawartość AT w genach apikoplastu P. falciparum może sięgać nawet 97%, a analizy filogenetyczne takich tendencyjnych sekwencji są silnie obciążone różnymi artefaktami filogenetycznymi, w tym zjawiskiem przyciągania długich gałęzi (Dacks i in., 2002).

Jednakże odkrycie nowej grupy fotosyntetyzujących glonów zwanych Chromerida stanowiło prawdziwy przełom w tym względzie (Moore i in., 2008; Oborník i in., 2012). Glony te posiadają stosunkowo dobrze zachowane genomy plastydów, których repertuar genów pokrywa się z repertuarem plastydów apikompleksów i dinoflagellatów. Co więcej, jednoznacznie wykazano, że plastyd chromerydowy jest najbliższym znanym fototroficznym krewniakiem apikoplastu. Gromadzące się dowody pochodzące z genów kodowanych w jądrze wykazały, że chromerydy mają wspólnego przodka z Apicomplexa (Janouškovec i in., 2010; Kořený i in., 2011; Moore i in., 2008; Oborník i in., 2009).