Apicomplexa

1 Introduktion

Fylum Apicomplexa är en grupp encelliga eukaryoter som lever som obligatoriska parasiter hos djur. Dessa protister infekterar metazoiska värddjur som sträcker sig från ryggradslösa djur, t.ex. polychaeter (Rueckert et al., 2010), sipunculider (Leander, 2006), blötdjur (Kopečná et al., 2006) eller olika insekter (Hecker et al., 2002), till reptiler, amfibier och däggdjur, inklusive människor (Duszynski et al., 1999; Smith, 1996). Apicomplexa innehåller också Plasmodium, som orsakar malaria, den mest förödande parasitsjukdomen hos människor, och coccidium Toxoplasma gondii, som sannolikt är den mest utbredda parasiten hos människor med föreslaget inflytande på deras beteende (Flegr, 2007). Som en av de mest artrika eukaryotiska grupperna med uppskattningsvis över en miljon arter (Pawlowski et al., 2012) är det inte förvånande att apikomplexanerna omfattar många parasiter hos vilda och tama djur (Chartier och Paraud, 2012). Apikomplexa parasiter tillhör taxonomiskt sett alveolater, en grupp protister, som även omfattar ciliater (Ciliophora), vanligtvis fritt levande heterotrofa protister som besitter många cilier på cellytan och ett unikt genetiskt system av makro- och mikronukleier, och mestadels fototrofa dinoflagellater (Dinophyta), alger med olika komplexa plastider som är av stor ekologisk betydelse i akvatiska miljöer (Adl et al, 2012).

De flesta apikomplexa är kända för att innehålla en uppsättning karakteristiska strukturer, i synnerhet det apikala komplexet och apikoplasten. Medan det apikala komplexet, en sofistikerad apparat som vanligtvis består av den konoida rinken, rhoptrier och mikronemes, används för att tränga in i värdcellen, representerar apikoplasten en sekundär icke-fotosyntetisk plastid som härrör från en förmodat fotosyntetisk organell. Denna kvarvarande plastid är omgiven av fyra membran, vilket återspeglar dess komplexa ursprung i en sekundär eller tertiär endosymbiotisk händelse (se Foth och McFadden, 2003; Lim och McFadden, 2010; Oborník et al., 2009; Roos et al., 1999). Dess genom är starkt reducerat till den 35 kb långa DNA-cirkeln (Gardner et al., 1991; Kilejian, 1975) och saknar alla spår av gener som är involverade i fotosyntesen. Apikoplastens genomstruktur, geninnehåll och gensyntes är ganska bevarade bland apikomplexanerna, vilket stöder ett enda ursprung för denna tidigare fotosyntetiska organell (Denny et al., 1998; Lang-Unnasch et al., 1998). Det är dock inte alla apikomplexaner som har en plastid. Det har bevisats att medlemmar av släktet Cryptosporidium, som parasiterar tarmen hos ryggradsdjur inklusive människor, saknar apikoplast (Abrahamsen et al., 2004; Xu et al., 2004; Zhu et al., 2000a). Dessutom misslyckades också alla försök att upptäcka denna organell hos eugregariner, tidiga förgrenade apikomplexaner med enorma celler som är associerade med ryggradslösa värddjur (Toso och Omoto, 2007). Enligt molekylär fylogeni (Carreno et al., 1999; Zhu et al., 2000b) och vissa morfologiska synapomorfer (Valigurová et al., 2007) verkar de båda ovan nämnda grupperna vara nära besläktade. Vi antar att dessa apikomplexaner förlorade sin plastid kort efter förvärvet, innan organellen blev fast etablerad och oumbärlig för parasitens överlevnad (Oborník et al., 2009).

Tidigare har apikoplasten hittats i de mest artrika och utbredda grupperna av apikomplexanparasiter, såsom Coccidia, Piroplasmida och Haemosporidia (Lim och McFadden, 2010; Oborník et al., 2009). I den bäst studerade Plasmodium falciparum visade sig denna reliktplastid vara väsentlig för cellen, och dess avbrott leder till den så kallade fördröjda dödseffekten (Fichera et al., 1995; He et al., 2001; Pfefferkorn et al., 1992; Ramya et al., 2007). Apikoplasten utgör därför en ny lovande måltavla, till och med en ordspråklig akilleshäl för dessa patogener (Jomaa et al., 1999; McFadden och Roos, 1999; Soldati, 1999; Wiesner och Jomaa, 2007; Wiesner et al., 2008). Upptäckten av denna organell ledde till det banbrytande förslaget att dessa heterotrofa parasiter hade utvecklats från en fototrof förfader, särskilt en alg med en komplex plastid (McFadden et al., 1996). Även om apikoplasten uppenbarligen förlorade den huvudsakliga plastidfunktionen och därmed inte längre är fotosyntetisk, äger flera sannolikt viktiga metaboliska vägar fortfarande rum i denna organell, t.ex. hembiosyntesen (Kořený et al., 2011, 2013; van Dooren et al., 2012; Wilson, 2002; Williams och Keeling, 2003), fettsyrasyntesen (Goodman och McFadden, 2008) eller den syntetiska vägen för isoprenoider som inte är mevalonat (Jomaa et al., 1999; granskad av Ralph et al., 2004). Det har föreslagits att särskilt den biosyntetiska vägen för heme (tetrapyrrol) spelar en viktig roll i plastidförlusterna, som är kända för att inträffa ofta, särskilt under utvecklingen av alveolater och stramenopiler (Barbrook et al., 2006; Kořený et al., 2011, 2012; Kořený och Oborník, 2011). Faktum är att betydande uppmärksamhet har ägnats åt hemvägen när man söker efter ett lämpligt mål för antimalarialäkemedel (Seeber och Soldati-Favre, 2010; van Dooren et al., 2012). Det har dock nyligen visats genom en elegant kemisk räddning av Plasmodium som befriats från apikoplasten att den enda verkligt viktiga föreningen som produceras av apikoplasten för dess erytrocytiska (= blodströmmar) stadier är isopentenylpyrofosfat, en produkt från den icke-mevalonata isoprenoidvägen (Yeh och DeRisi, 2011).

Men tack vare det antal membran som omger apikoplasten var det uppenbart att det är en komplex plastid som härstammar från en åtminstone sekundär endosymbiotisk händelse (Köhler et al, 1997; McFadden et al., 1996), var dess särskilda ursprung från den gröna eller röda plastidlinjen länge okänt. Hittills är endast två grupper av alger med sekundära gröna plastider kända, nämligen de fotosyntetiska Euglenophyta och Chlorarachniophyta, som hör till de grävda respektive rhizariska algerna. Båda protistgrupperna antas ha fått sina plastider relativt nyligen (Archibald, 2012). Alla andra grupper av alger som är kända för att hysa sekundära plastider, t.ex. Stramenopila, Alveolata, Cryptophyta och Haptophyta, fick dem via endosymbiotiskt förhållande med en rödalg. Men även inom dinoflagellater, en artrik grupp av alveolerade alger som mestadels har en sekundär röd plastid, har två arter (Lepidodinium viride och L. chlorophorum) med grön sekundär plastid beskrivits (Takishita et al., 2008; Watanabe et al., 1990). Innan kromeriderna upptäcktes (Moore et al., 2008) utgjorde dinoflagellaterna, på grund av sin systerställning till Apicomplexa, de närmaste kända fototrofa släktingarna till dessa obligatoriska parasiter (Zhang et al., 2000). Tyvärr, eftersom apikoplasten förlorade alla sina fotosyntetiska funktioner och eftersom genomet hos dinoflagellatens peridininpigmenterade plastid reducerades till en extremt snäv uppsättning fotosyntetiska gener (Barbrook och Howe, 2000; Green, 2004; Zhang et al., 1999), överlappar plastidgenomerna hos dessa besläktade alveolater praktiskt taget inte varandra (Keeling, 2008) och är därför bortom meningsfull jämförelse. De enda gener som delas av de båda grupperna är de som kodar för rRNA, men deras extrema AT-rikedom och divergens gör att en trovärdig fylogenetisk analys är högst tveksam (Dacks et al., 2002; Howe, 1992; Oborník et al., 2002; Zhang et al., 2000). Följaktligen har många fylogenetiska analyser av apikoplastgenerna lett till motsägelsefulla resultat. Medan de tufA-genbaserade analyserna stödde apikoplastens ursprung inom den gröna linjen (Egea och LangUnnasch, 1995; Köhler et al., 1997), föreslog andra författare dess ursprung utanför den gröna linjen (Blanchard och Hicks, 1999) eller inom den röda plastidlinjen (Williamson et al., 1994). Det senare ursprunget stöds ytterligare av strukturen hos superplastidoperonet i apikoplastgenomet, gen synteny, som är homologt med de röda snarare än de gröna plastidgenomerna (Blanchard och Hicks, 1999; McFadden och Waller, 1997; Stoebe och Kowallik, 1999; Zhang et al., 2000). Trots detta kom det gröna scenariot återigen in i leken, när de unikt uppdelade cox2-generna hittades i kärngenomerna hos både apikomplexaner och baljväxter (Funes et al., 2002). Andra forskare har dock visat att ett sådant arrangemang finns redan hos ciliater och uppenbarligen hade utvecklats flera gånger under evolutionen (Waller och Keeling, 2006; Waller et al., 2003). Apikoplastens tvetydiga fylogeni återspeglar den extrema divergensen hos dess snabbt utvecklande gener. Faktum är att AT-innehållet i P. falciparums apikoplastgener kan nå upp till 97 % och fylogenetiska analyser av sådana fördomsfulla sekvenser påverkas kraftigt av olika fylogenetiska artefakter, inklusive fenomenet med attraktion av långa grenar (Dacks et al, 2002).

Fyndet av en ny grupp fotosyntetiska alveolater som kallas Chromerida innebar dock ett verkligt genombrott i detta avseende (Moore et al., 2008; Oborník et al., 2012). Dessa alger innehåller relativt bevarade plastidgenom med en genrepertoar som överlappar den hos apikomplexa och dinoflagellaternas plastider. Dessutom visades otvetydigt att kromeridplastiden är den närmaste kända fototrofa släktingen till apikoplasten. Ackumulerade bevis som härrör från kärnkodade gener visade vidare att kromeriderna har en gemensam härstamning med Apicomplexa (Janouškovec et al., 2010; Kořený et al., 2011; Moore et al., 2008; Oborník et al., 2009).