Informace

Existují nějaké bakteriální linie, které jsou obzvláště dobře přizpůsobeny tomu, aby se staly endosymbionty?


Existují nějaké konkrétní bakteriální linie, které obsahují velké množství endosymbiotických druhů a které obývají velkou škálu eukaryotických hostitelů? Zdá se mi, že to naznačuje, že jsou obzvláště dobře přizpůsobeni tomu, aby se stali endosymbionty.


http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0027909

Členové rodu Xenorhabdus jsou entomopatogenní bakterie, které se spojují s hlísticemi. Pár hlístic a bakterií infikuje a zabíjí hmyz, přičemž oba partneři přispívají k patogenezi hmyzu a bakterie zajišťují výživu hlístic z dostupných živin odvozených od hmyzu. Hlístice poskytuje bakteriím ochranu před predátory, přístup k živinám a mechanismus rozptýlení. Členové bakteriálního rodu Photorhabdus se také spojují s hlísticemi, aby zabíjeli hmyz, a oba rody bakterií poskytují podobné služby svým různým hostitelům hlístic prostřednictvím unikátních fyziologických a metabolických mechanismů.


Ectosymbiont

3.3.9 Vznikly mikrotubuly ve spirochetech

Byl předložen návrh, aby tubulin a MT pocházejí ze spirochet, které se poté staly ektosymbionty v raných eukaryotech, do kterých transportovaly tyto organely (Szathmary, 1987 Margulis et al., 2006). U tří spirochet byly sekvenovány jejich genomy: Borrelie, Leptospira, a Treponema každý z nich kóduje FtsZ, ale žádný tubulin (Picardeau et al., 2008 Han et al., 2011 Porcella et al., 2011). Spirochetový protein, který reaguje s protilátkami proti tubulinu, je příbuzný chaperonu Hsp65 (Munson et al., 1993). Zdá se pravděpodobné, že se spirochety oddělily od jiných bakterií po divergenci FtsZ/tubulinu. Struktury podobné MT byly však pozorovány u různých prokaryot, přestože proteiny, které je tvoří, nebyly identifikovány (Bermudes et al., 1994), pokud by se tyto proteiny nakonec ukázaly být součástí superrodiny FtsZ-tubulin, pak výše uvedené argumenty bude možná nutné upravit.


Pozadí

Pro mnoho hmyzu jsou parazitoidy důležitými přirozenými nepřáteli, kteří způsobují značnou úmrtnost, a tak vyvíjejí intenzivní výběr na odolnost hostitele [1]. Obrana hostitelů zase ukládá silnou selekci na infekčnost parazitoidů. To vytváří scénu pro antagonistickou koevoluci reciproční adaptací [2], která vyžaduje genetickou variabilitu vlastností zahrnutých do výsledku interakcí hostitel-parazit a může vést k místní adaptaci. Variace na parazitickou infekčnost a/nebo rezistenci hostitele byly popsány pro četné interakce hmyzí hostitel-parazitoid [3–8], ale studií o lokální adaptaci parazitoidů je relativně málo [9–13]. Například Dupas a kol. [14] uvedli silné důkazy o místní adaptaci parazitoidů Cotesia sesamiae na imunitní rezistenci v místní hostitelské komunitě, zatímco van Nouhuys et al. [15] zjistili, že parazitoidní vosa Cotesia melitaearum nevedl lépe na místní populaci svého hostitelského motýla Melitaea cinxia.

Parazitoidní vosy jsou také důležitými přirozenými nepřáteli mšic a často se používají při biologickém hubení mšic škůdců [16]. Přestože mšice vykazují hostiteli kódovanou variaci na odolnost vůči parazitoidům také [8, 17, 18], většina této variace je vysvětlena jejich fakultativní asociací s bakteriálními endosymbionty. Jedním z nich je gammaproteobacterium Hamiltonella defensa [19], bylo prokázáno, že silně zvyšuje odolnost vůči parazitoidním vosám ve hrachové mšici Acyrthosiphon pisum [20, 21], ve mšici černé fazole Aphis fabae [22, 23], ve mšici cowpea Aphis craccivora [24], a pravděpodobně i další mšice (viz však [25]). Ochrana před parazitoidy koreluje s přítomností bakteriofágů kódujících toxiny zvaných APSE v H. defensa genom [26–28], což naznačuje, že tyto toxiny odvozené od fága mohou zabránit vývoji vajíček parazitů nebo raných larev. Je zajímavé, že různé kmeny H. defensa jsou spojeny s různými variantami APSE a poskytují různé úrovně ochrany před parazitoidy [26]. Mezi další fakultativní endosymbionty mšic patří Regiella insekticola, Serratia symbiotica a bakterie označovaná jako X-type nebo PAXS, stejně jako bakterie z rodů Rickettsia, Rickettsiella, Spiroplasma a Arsenophonus [19, 29–35]. Mšice tak mohou chovat celá společenství fakultativních endosymbiontů, kteří přispívají k dědičné variabilitě ekologicky relevantních vlastností jejich hostitelů [36]. Jejich důležitá role v ekologii mšic je stále více uznávána [37], ale o jejich přesných funkcích a o jejich výskytu v přirozených populacích mšic je stále co učit. Ačkoli konkrétní kmeny, které jsou ochranné proti parazitoidům, byly detekovány i u jiných endosymbiontů, např. v R. insekticola [38] nebo S. symbiotica [21], žádný z nich není důsledně spojen s odolností vůči parazitoidům, jako je tomu v případě H. defensa.

Mšice z černých fazolí, Aphis fabaea jeho nejdůležitější parazitoid, Lysiphlebus fabarumse staly užitečným modelem pro zkoumání role H. defensa při zprostředkování interakcí mšice hostitel-parazitoid [22, 39]. Různé řady L. fabarum se liší ve své schopnosti parazitovat na mšicích v přístavu H. defensa [23, 40], což naznačuje, že populace parazitoidů mají genetickou variabilitu, která překonává rezistenci spojenou se symbionty. Pomocí přístupu experimentální evoluce se to skutečně ukázalo L. fabarum je schopen se přizpůsobit přítomnosti H. defensa ve svém hostiteli A. fabae [41]. Dohromady tyto výsledky naznačují, že parazitoidní vosy mohou mít potenciál lokálně se přizpůsobit prevalenci H. defensa ve svých hostitelích. V této studii jsme se touto možností zabývali odhadem prevalence H. defensa (stejně jako další bakteriální endosymbionti) v hlavních hostitelích L. fabarum na 17 místech a sběrem parazitoidů ze stejných míst odhadnout jejich schopnost překonat ochranu poskytovanou třemi různými kmeny H. defensa.


ÚVOD

Mšice (Homoptera, Aphididae) se živí floemovou mízou, která má nevyvážený obsah dusíku/uhlíku a má nedostatek v řadě živin, hlavně aminokyselin, které hmyz, stejně jako jiná zvířata, nedokáže syntetizovat a zajišťuje je jejich primární endosymbiont Buchnera aphidicola (5, 9). Po jejich asociaci, která podle fosilních záznamů proběhla asi před 100 až 200 miliony let, se linie hostitelů a symbiontů vyvíjely striktně paralelně (29). Vztah je vzájemný, protože mšice potřebují B. aphidicola pro normální růst a reprodukci, zatímco bakterie nemůže žít mimo hostitele. Host někdy příležitostně toleruje sekundární symbionty, definované jako fakultativní bakteriální endosymbionty, kteří koexistují s Buchnera. Jelikož jsou fakultativní, jsou považováni za nepodstatné pro hostitele, i když v některých případech byly prokázány pozitivní efekty, například záchrana hostitele před tepelným poškozením, zajištění obrany proti přirozeným nepřátelům a účast na specializaci hostitele (27).

V současné době je B. aphidicola genom byl sekvenován ze čtyř druhů mšic, dvou z bakterií unášených mšicemi z podčeledi Aphidinae, B. aphidicola BAp (44) a B. aphidicola BSg (47), primární endosymbionti Acyrthosiphon pisum a Schizaphis graminum, resp. Další dva patří do dvou různých linií mšic, B. aphidicola BBp od Baizongia pistaciae (52) a B. aphidicola BCc od Cinara cedri (37), příslušníci podčeledi Eriosomatinae, respektive Lachninae. Kromě toho genomy sedmi kmenů B. aphidicola z A. pisum byly sekvenovány (28). Srovnávací analýza B. aphidicola genomy odhalily extrémní případ evoluční stagnace s téměř dokonalou ochranou genového řádu. Existující je tedy pořadí genů Buchnera lze považovat za fosilii řádu genů, která se prakticky zachovala od posledního společného symbiotického předka (LCSA) všech přítomných B. aphidicola linie (37, 47, 52). Všechny tyto bakterie však mají různé velikosti genomu, s B. aphidicola genom z C. cedri (s 425 kb) nejmenší B. aphidicola známý genom, až o 200 kb menší než ostatní. V tomto genomu byly ztráty genů obzvláště dramatické v biosyntéze nukleotidů, metabolismu kofaktorů a vitamínů a buněčné obálce a transportu (37). Zachovala však zjednodušený metabolismus, který využívá glukózu jako zdroj energie prostřednictvím fosforylace na úrovni substrátu. Pokud jde o hlavní roli B. aphidicola při symbióze mšic jako poskytovatel aminokyselin, B. aphidicola BCc není schopen tuto roli splnit, protože ztratil schopnost syntetizovat tryptofan.

Zvláštní vlastnost C. cedri je masivní přítomnost sekundárního endosymbiontu “Candidatus Serratia symbiotica, ”, která byla hlášena, že se stala obligátním symbiontem v této mšici (17, 22), zatímco je to fakultativní symbiont u jiných druhů mšic (30, 34). Skutečně existují nedávné zprávy o blízkém endosymbiotickém konsorciu, které zahrnuje B. aphidicola a “Ca. Serratia symbiotica ” in C. cedri (18). Obě bakterie se tedy podílejí na syntéze tryptofanu. Obligátní biochemická vzájemná závislost mezi těmito dvěma endosymbionty proto může představovat evoluční pečeť bakteriální metabolické komplementace a ustavení stabilního konsorcia (31). V tom druhém B. aphidicola dosud analyzované kmeny, první dva geny tryptofanové dráhy (trpEG) jsou buď v plazmidu nebo v hlavním chromozomu, ale jsou vždy oddělené od ostatních genů v této dráze (trpDCBA), které zůstávají v chromozomu. v B. aphidicola BCc, existuje plazmid obsahující trpEG, ale zbytek genů pro cestu biosyntézy tryptofanu (trpDCBA) jsou umístěny na chromozomu “Ca. Serratia symbiotica ” (18). Případ B. aphidicola BCt, primární endosymbiont mšice Cinara tujafilina, je velmi nápadné. V tomto kmeni existuje chimérický plazmid pLeu/Trp, který obsahuje první dva geny tryptofanové dráhy (trpEG) a strukturní geny pro syntézu leucinu (14, 23).

The B. aphidicola Odhaduje se, že genom BCt je asi o 25 kb větší než B. aphidicola BCc genom pulzní gelovou elektroforézou (13). Na druhou stranu, C. cedri a C. tujafilina jsou úzce příbuzní jak fylogeneticky, tak entomologicky (40), žijí také na blízce příbuzných hostitelích rostlin (cedr a thuja, v uvedeném pořadí) a oba přístav “Ca. Serratia symbiotica ” jako druhý endosymbiont. Bakteriální fylogenetická analýza provedená se členy podčeledi Lachninae však ukázala dvě různé a velmi odlišné “Ca. Serratia symbiotica ” počty řádků. Jedna linie zahrnuje “Ca. Serratia symbiotica ” od mšic patřících do různých podčeledi čeledi Aphididae, včetně C. tujafilina, zatímco druhá linie zahrnuje pouze druhy z podčeledi Lachninae, včetně C. cedri (6, 22).

V této práci uvádíme kompletní sekvenování genomu B. aphidicola BCt a výsledky fylogenetické a srovnávací genomové analýzy s druhou sekvenovanou B. aphidicola genomy, a konkrétněji s blízce příbuznými B. aphidicola BCc. To nám umožnilo rekonstruovat genové složení LCSA, stejně jako historii genových ztrát, ale také a co je důležitější, roli, kterou hraje metabolismus jako funkční omezení ve vývoji redukce genomu bakteriálních endosymbiontů u hmyzu.


Ovladače evoluce podél kontinua

Ekologické zdroje selekce mohou vést vývoj mikrobiálních symbiontů ke zvýšení prospěchu hostitele (tabulka 1) nebo poškození (tabulka 2). K posunům dochází napříč generacemi, protože se mikrobiální symbionti přizpůsobují životu v novém hostitelském druhu, setkávají se s různými přenosovými příležitostmi a tváří v tvář hostitelům, kteří se recipročně vyvíjejí v reakci. Přítomnost nebo absence dalších interagujících druhů v komunitě může také vést k evoluční změně ve vztahu hostitel - symbiont v důsledku měnícího se rozdělení čistých přínosů a nákladů v rámci komunity. V zásadě, vzhledem k silnému zdroji selekce, může ke genetické změně dojít jen u několika mikrobiálních generací. Tyto přechody jsou často zkoumány pomocí experimentální evoluce nebo v makroevolučních časových intervalech pomocí fylogenetických srovnání (rámeček 1).

Noví hostitelé

Mikroorganismy se často setkávají s novým hostitelským prostředím. Mohou skákat přes hranice druhů nebo kolonizovat hostitele z kaluží volně žijících ekologických mikroorganismů. Nové infekce mohou generovat novou rozmanitost na kontinuu symbiózy prostřednictvím divergence a speciace 81. Významné případy posunů hostitele, jako je nedávná pandemie SARS-CoV-2 82, poukazují na potenciál pro zkoumání evolučních změn virulence po vzniku 83,84,85. Nové asociace jsou často nepřizpůsobivé pro hostitele i parazity 86 a asociace se mohou nepředvídatelně pohybovat po kontinuu nebo vyhořet. Tato trajektorie byla pozorována u výskytů viru ptačí chřipky, kde úmrtnost případů může být vysoká, ale přenos z člověka na člověka je nízký 87.

Zdá se, že posuny mezi hostitelskými druhy, pravděpodobně způsobené HGT genů spojených s virulencí, byly důležité při vzniku parazita horečky Q, Coxiella burnetii 30,88. Tento navrhovaný přechod mezi globalisty a parazity je složitý případ, pro který zůstává celý evoluční příběh neznámý. Fylogenetická analýza však naznačuje, že tato vysoce infekční bakterie nedávno vznikla z kladu vertikálně přenášených vzájemných endosymbiontů klíšťat 30. C. burnetii mohly vyvinout mechanismy k infikování buněk obratlovců, přetrvávat v prostředí a být přenášeny vzduchem. Tyto rysy pravděpodobně nenajdeme u předků omezených členovci 30. Klíšťata živící se obratlovci pravděpodobně poskytla ekologický most. K podobným přechodům došlo uvnitř Sodalis-příbuzní symbionti, skupina bakterií omezených na hostitele běžných pro hmyz, včetně vektoru mouchy tsetse. Volný život Sodalis sp. byl izolován poté, co osoba utrpěla ránu z větve stromu, a toto serendipitous zjištění poskytlo důkaz, že symbiontní linie pocházejí z předků životního prostředí 31. Počáteční vektorování těchto environmentálních kmenů hmyzem bylo pravděpodobně klíčové ve vývoji prospěšných, dědičných Sodalis dnes pozorovaní endosymbionti.

Interakce nových druhů mohou urychlit inovace. To může být zejména v případě, že mikroorganismus nese vlastnosti, které mohou poskytnout okamžité výhody. Takové rychlé výhody mohou poskytnout mikroorganismy kódující funkce vytváření světla, fotosyntézy, fixace dusíku nebo antimikrobiálních látek 15. Tyto charakteristiky mohou být předělany (nebo mohou fungovat jako předadaptace) pro přechody v symbióze 15. K takovému opětovnému použití mohlo dojít při produkci antimykotik Burkholderia symbionty spojené s brouky Lagriinae. Burkholderia zdá se, že symbionti přešli z rostlinného parazita na hmyzího vzájemníka. V této souvislosti mohly být sekundární metabolity dříve používané jako faktory virulence proti rostlinám znovu použity k protiplísňové obraně na vejcích brouků 89. Další důkazy pocházejí od mořských hostitelů, včetně cibulí ďasů a Vibrio fischeri-plněné světelné orgány bobtail chobotnice. Tito hostitelé těží z těchto bioluminiscenčních bakterií, aby přilákali kořist a vyhnuli se predaci, a symbionti si často zachovávají schopnost svobodně žít nebo přetrvávají v prostředí 22,51.

Přenosové příležitosti

Přenosový režim byl považován za předpověď směru vývoje symbionta na kontinuu. Když se horizontálně přenášení symbionti mohou pohybovat mezi nesouvisejícími hostitelskými jedinci, zájmy v kondici mezi druhy jsou odpojeny, což je scénář, který by měl dávat přednost parazitismu 7. Míra poškození hostitelů způsobená infekcí je často ohraničena kompromisem virulence-přenos 90,91. Vztah předpokládá, že virulence - snížení kondice hostitele způsobené infekcí parazity - je pro parazita nákladné, protože k replikaci 92 jsou zapotřebí zdroje hostitele. Náklady na přílišné nebo příliš brzké poškození hostitele replikací mohou mít za následek menší přenos. Předpovídá se tedy, že přenos by měl být nejvyšší při střední virulenci, která vyvažuje náklady na replikaci uvnitř hostitele a délku infekčního období 90. Tento model je zvláště vhodný pro symbionty, kteří se při přenosu spoléhají na mobilního hostitele (například sociálně přenosné mikroorganismy). Ty, které nemají (například mikroorganismy přenášené vektory a vodou), mohou obejít kompromisy mezi virulencí a přenosem 91. Tento konvenční model jde určitým způsobem do hypotéz o obecných vzorcích virulence, přesto bylo navrženo několik rozšíření a alternativ 93,94,95.

Bylo navrženo, že mutualisté se mohou vyvinout z parazitických předků, když je frekvence horizontálních přenosových cest snížena nebo ztracena 7. Pokud je vertikálním přenosem zbývající dominantní způsob přenosu, pak se může vhodně spojit vhodnost hostitele a symbionta, což zmenšuje arénu pro evoluční konflikt a tím upřednostňuje výběr pro vzájemný prospěch 7,90,96. Mutualismy zahrnující symbiontovou dědičnost jsou podle předpovědí stabilní na kontinuu a pravděpodobně se nevrátí k parazitismu 15,97. Ale výlučně vertikální přenos může ohrozit asociace prostřednictvím genetického zúžení (viz část na Stuck na konci řádku). Je zřejmé, že dědičnost není jediným způsobem, jak se vyvíjejí bakteriální vzájemní činitelé.Srovnávací analýza nenalezla žádný důkaz pro vertikální přenos předcházející vzniku vzájemnosti 15. Mnoho mutualismů zahrnuje horizontální přenos, jako jsou konjugační plazmidy v bakteriálních populacích 98 a rozsáhlé sítě mykorhizů, které zlepšují produktivitu rostlin 99,100. Zejména se navrhuje, aby evoluce obranných znaků u symbiontů byla usnadněna genetickou rozmanitostí a výběrem pro inovace podporovaným horizontálním přenosem 101. Mnoho horizontálně přenášených mikrobiálních symbiontů je povinných pro kondici hostitele 16,22,102, ale mnohé mohou být fakultativní 24 a sdělují náklady v různých prostředích.

Naopak, ne všechny zděděné mikroorganismy se stávají vzájemnými 103. Wolbachia, Spiroplasma a Arsenophonus druhy jsou běžnými zděděnými parazity, kteří manipulují s reprodukcí hostitele a maximalizují alokaci zdrojů přenášejícímu pohlaví hostitele (ženy) feminizací hostitelů nebo zabíjením jejich synů 104. Teorie však naznačuje, že šíření těchto reprodukčních parazitů bude posíleno vývojem vlastností, z nichž mají prospěch hostitelé 105. Prospěšná vlastnost (tj. Obrana) může dokonce interagovat s parazitickou vlastností (tj. Reprodukční manipulace), aby zcela vyloučila přirozeného nepřítele 105. Skutečně, kryptické výhody jsou nyní k dispozici v několika systémech 106,107 a existují důkazy o tom, že některé reprodukční parazity mohou také potřebovat přenášet horizontálně, aby přetrvávaly 108.

Přenos jako determinant umístění symbiózy podél kontinua je složitý. Existuje mnoho výjimek z klasické teorie. Experimentální manipulace přenosových režimů nicméně nalézá obecnou oporu pro teorii, že horizontální přenos může zvolit parazitismus a vertikální přenos pro snížený antagonismus (tabulka 1 tabulka 2). V symbióze mezi medúzou a řasou Symbiodinium microadriaticum, kooperativní znaky, včetně posílení růstu, byly vybrány, když byl přenos omezen na dědičné trasy 109. Tyto kooperativní rysy jsou zásadní pro stabilní vzájemné vztahy, chránící před přechody k parazitismu nebo událostem opuštění. V opačném experimentu bylo detekováno omezení řas na horizontální přenos zvolený pro rychlejší proliferaci a šíření (rysy spojené s parazitismem) a poklesy kondice hostitele 109. Taková zjištění se zrcadlí napříč pozemskými systémy 46,110,111. Společná chyba pilulek hostí a Wolbachia kmen (wVulC), která feminizuje genetické muže 112. Blokováním typické vertikální trasy a napodobováním horizontálního přenosu došlo k systémovému nárůstu Wolbachia (wVulC) a drastický přechod od benigního partnera k vysoce virulentnímu 110.

Komunita

Ovladače přechodů podél kontinua parazita a vzájemnosti mohou být složité a vycházet z ekologických a evolučních pohybů mnoha různých hráčů. Obranná symbióza 113 114, přičemž existují nejméně tři vzájemně se ovlivňující druhy (hostitel, obranný symbiont a útočící nepřítel), je po kontinuu obzvláště dynamická v reakci na změny složení komunity. Absence symbionta nebo nepřítele může mít evoluční důsledky pro jiné druhy v komunitě, a to i bez přímých interakcí 115,116. Koinfekce v hostitelích mohou také ovlivnit přechody v symbióze poskytnutím nových fenotypů prostřednictvím HGT genetického materiálu (například ostrovy symbiózy, plazmidy a fágy) 78,80,114,117.

Vliv složitosti komunity je prokázán bakterií Hamiltonella defensa a jeho lysogenní fág, APSE. Toto sdružení chrání mšice hostitele před parazitoidními vosami 118 119 (obr. 2). V této souvislosti závisí výhoda kondice poskytovaná mšicímu hostiteli na přítomnosti parazitoidů - v jeho nepřítomnosti H. defensa s APSE fágem je mšice 120 nákladná. Mechanismus ochrany (produkce toxinu) závisí na počátečním bočním přenosu fága ze symbiontu společně infikujícího 117,121. Následná ztráta fága může přesunout interakci mezi H. defensa a mšice zpět k parazitismu 122. Teorie 105,116, experimentální evoluce 40 a terénní studie 123 zachytily, jak se mikroorganismy, dokonce i parazitické, mohou rychle vyvíjet, aby chránily své hostitele, když jsou kolektivně ohroženy, přičemž často překračují kontinuitu parazita a vzájemnosti v tomto procesu. v Caenorhabditis elegans háďátka, mírně parazitická střevní bakterie, si vyvinula zvýšenou schopnost chránit před infekcí virulentnějším parazitem 40. V nepřítomnosti parazita střevní bakterie nevznikla jako mikrobiální linie obrany hostitele.

Obranné symbiózy zahrnují více druhů, včetně hostitele (H) a obranného mikroorganismu (DM), který chrání před útočícím parazitem (P) 113. V DM často existují skrytí hráči, jako jsou mobilní genetické prvky (MGE, například fágy, plazmidy a transponovatelné prvky), které kódují faktory zahrnuté v ochranné funkci DM. V této komunitě mohou evoluční a ekologické pohyby (příklady označené šipkami) každého hráče ovlivnit relativní polohu druhého na kontinuu parazita a vzájemnosti. Hráči se mohou pohybovat, což má celkově prospěšný (čistý+), škodlivý (čistý -) nebo zanedbatelný (čistý 0) vliv na kondici hostitele. Pokud například MGE kóduje klíčové ochranné funkce, pak jeho ztráta (tah 2) posune pozici DM směrem k parazitismu (všechny náklady a žádný přínos pro hostitele). Mezitím se náklady na P až H zvýší, když H již není chráněn DM a jeho MGE. Přechody zde mohou také změnit koevoluční vzorce a procesy mezi hráči a druhy.

Další symbionti s dříve neznámými efekty jsou stále častěji identifikováni i v ikonických symbiózách „pro dva hráče“, jako jsou korály 124 a lišejníky 125 126. Není proto překvapující, že složitost celé mikrobioty hostitele (která často zahrnuje rozmanitý repertoár bakterií, hub a virů) může interagovat a vytvářet nové výsledky pro jednotlivé kmeny, druhy a komunitu jako celek. Členové mikrobioty soutěží a spolupracují mnoha způsoby 127, přičemž navzájem ovlivňují virulenci prostřednictvím procesů, jako je potlačení veřejných statků 128 nebo usnadnění tvorby biofilmu 129 a epiteliální translokace 130. Průchod Candida albicans u myší postrádajících střevní mikrobiotu zdůraznila úlohu komunit při určování osudu v kontinuu parazit -vzájemné. V nepřítomnosti střevní mikrobioty, C. albicans Objeví se mutanti, kteří mají defekt hyfální formace, a již ji nevyžadují ke konkurenci vůči jiným členům mikrobioty. Ve srovnání s předkem divokého typu, který koexistuje s mikrobiotou, jsou tyto C. albicans mutanti jsou méně virulentní a chrání své hostitele před Aspergillus fumigatus infekce způsobem nezávislým na adaptivní imunitě hostitele 43. Zdá se, že tento přechod od patobionta k podmíněnému vzájemnému v tomto kontextu závisí na absenci konkurenčních mikroorganismů. Vzhledem k gradientu rostoucí rozmanitosti mikrobiomů by však bylo cenné pochopit, kdy selektivní výhoda přechodu zmizí. Další nedávná práce u myší bez mikrobioty poznamenala, že když E-coli je osamělý kolonizátor střev, je důsledně vybírán ke zvýšení metabolismu aminokyselin serinu a threoninu. Malé zvýšení rozmanitosti mikrobiomů (přidání jediného konkurenčního druhu) mění evoluční trajektorii E-coli v podstatě místo toho upřednostňuje mutace spojené s anaerobním metabolismem 131. Tento výsledek naznačuje, že bakterie mohou mít nízkou věrnost v metabolické funkci i v rámci generace jednoho hostitele 132. Takové zjištění naznačuje, že hostitelsko -mikrobiální symbiózy nemusí dodržovat myšlenku, že „holobiont“ je soudržnou jednotkou výběru 133. Tato myšlenka se opírá o vysokou věrnost mezi partnery 134, která může být snadno narušena změnami okolní mikrobiální komunity.

Pokud dokážeme selektivně řídit evoluci mikroorganismů a jejich komunit, mohou se aplikace zlepšit v již slibném využití transplantací fekální mikrobioty v medicíně 135, symbiontově zprostředkované vektorové kontrole 136 137 a manipulaci s plodinovými parazity 42. Existuje však naléhavá potřeba porozumět dlouhodobé reakci mikrobiálních komunit na konstrukci symbiontů. Teoretické modely v poslední době považují virulenci za náklady sdílené všemi symbionty koexistujícími v hostiteli 138 139. Tyto modely zjišťují, že obrana symbionta často vede ke snížení virulence v mikrobiální komunitě (včetně útoků na parazity), což je výsledek závislý na nízkých nákladech na obranu a na nízkých nákladech na virulenci 139. Obranné mikroorganismy se však mohou také rozhodnout pro mechanismy rezistence (například produkci toxinů a stimulaci zánětu) u parazitů, před nimiž chrání, což způsobí vedlejší poškození hostitelů a způsobí zvýšenou virulenci parazitů 140. To je podobné zavedeným předpovědím pro souběžné infikování druhů parazitů, přičemž konkurence vybírá zvýšenou virulenci 141,142,143. Slibně a v souladu s nějakou teorií 138,139 byla selekce snížené virulence parazitů odhalena v reakci na ochranu zprostředkovanou mikroorganismy 144. Jiní také uvádějí dlouhodobou účinnost ochranných mechanismů navzdory vyvíjející se patosféře 145.

Ovládání hostitele

Kromě vývoje mikrobiálního symbiontu mohou hostitelé ovlivnit polohu symbiózy na kontinuu 146. Hostitelé mohou být rezistentní (tj. Omezující kolonizaci symbiontů) a tolerantní (tj. Zvládat poškození související se symbionty bez omezení kolonizace) 147, což snižuje jakékoli negativní dopady interakce hostitel-symbiont. Vyvíjející se kontrolní mechanismy (například sankce a odměny a modulátory mikrobiomu) 146,148 nebo získávání symbiotické funkce z alternativního zdroje (například přepínání symbiontů a HGT) 100 mohou také omezit nebo způsobit změnu polohy interakce podél kontinuum.

Rezistence na symbiontovou infekci je pozorována všudypřítomně ve vyvíjejících se asociacích hostitel -parazit 149,150. Mutace spojené s membránovými transportéry v bakterii Actinomyces odontolyticus se shodovalo se snížením negativních účinků jeho ektoparazitu (Nanosynbacter lyticus) 151, což pravděpodobně naznačuje adaptivní reakci hostitele na blokování zdrojů na ektoparazit nebo zabránění jeho připojení 151. Protože strategie odporu a tolerance hostitele mohou ovlivnit kondici parazitických symbiontů, mohou se přizpůsobit 202 153. Tento proces může vést k opakování tam a zpět podél kontinua.

Hostitelé mohou mít také klíčové role při omezování posunů řízených symbionty podél kontinua. Mohou jednat tak, aby zabránili vzniku podvádějících symbiontů, kteří využívají výhod hostitelské asociace, aniž by museli platit náklady na vrácení výhody 27,34. Alternativně mohou hostitelé udržovat asociaci na pozici optimální pro svou vlastní kondici. Strategie sankcí a odměn, prostorová segregace symbiontů a mechanismy výběru partnerů se vyvinuly tak, aby podporovaly a udržovaly spolupráci 27 154 155. Luštěniny například mohou sankcionovat defektní bakterie fixující dusík blokováním zdrojů do příslušného kořenového uzlu 32 154 a rostliny odměňují užitečné mykorhizní houby extra sacharidy 156. Tyto mechanismy chrání hostitele před investováním do symbiontů s čistými náklady a vyhýbají se trajektoriím směřujícím k antagonismu.

Existuje stále více teoretických a empirických důkazů, že mnohé domnělé vzájemnosti mohou být ve skutečnosti produktem hostitelů využívajících symbionty 2,3,4,33. Interakce mohou být prospěšné pro hostitele, ale bez vzájemnosti vůči symbiontu, jehož kondice je ve zdech hostinského vězení 1 výrazně snížena. Mohou být považovány za případy obráceného parazitismu 5. Hostitel je parazitem svého menšího hosta. Tento jev je ilustrován zooxanthellae, u kterého je replikační rychlost silně narušena hostitelskou asociací 4, která se zvyšuje ze 3 dnů mimo korálové hostitele na 157 na přibližně 70 dní. Další příklad pochází z Paramecium bursaria a fotosyntetické Chlorella symbionti. Chlorella druhy poskytují fixní uhlík výměnou za organický dusík, ale hostitel přísně kontroluje hustotu symbiontu v reakci na světelné podmínky a zajišťuje pro sebe nejlepší obchod s živinami 159. Řízení symbiontu se potenciálně děje trávením Chlorella buňky 160. Hostitel může vyhrát dvojnásobek, platit pracovní sílu pouze v případě potřeby a získávat výživu trávením přebytečných symbiontů. Tempo růstu pro Chlorella zůstává trvale lepší mimo hostitele 159, ale uvnitř se tento symbiont vyhýbá konkurentům řas 161 a může být chráněn proti vlastním parazitům 162. Výzkum vykořisťování hostiteli je v plenkách, přičemž největší důkaz pochází z interakcí s fotosyntetickými symbionty 4 159 163. Zůstává mnoho otázek, včetně všudypřítomnosti tohoto jevu a zda jsou některé třídy symbiontů zranitelnější vůči vykořisťování než jiné.

Přestože jsou hostitelé v průběhu evolučního času považováni za relativně vzácné, mohou se také vyhýbat parazitickým 164 a vzájemným asociacím 100. Útěk z infekčního prostředí je jednou ze strategií. Časoprostorový únik nepohlavními vířivkami jim brání v důsledné interakci s houbovými parazity v průběhu evolučního času. Vysycháním a odfukováním ve větru jsou tato zvířata chráněna před infekcí, což jim umožňuje zachovat si svou nepohlavní reprodukční strategii 164. Mutualistické asociace lze opustit náborem nových symbiontů 100. Jako Hodgkinia endosymbionti cikád balancující na okraji genomového kolapsu, Ophiocordyceps houby (běžně paraziti) začaly přebírat základní role v syntéze aminokyselin pro hostitele 165. K opuštění může dojít také využitím alternativního zdroje 100. Například vývoj masožravosti v rostlinách vedl k tomu, že několik druhů rostlin opustilo arbuskulární mykorhizní houbové symbionty, protože rostlina nyní získává živiny přímo z kořisti 100. Tyto případy zaznívají s rostoucí debatou o tom, zda mohou mít hostitelé navrch v symbiózách, přestože se obecně jedná o druhy, které se vyvíjejí pomaleji (známý jako efekt Rudého krále 166 167), vykořisťují a uvězňují své mikroorganismy, aby získaly nepřiměřenou kontrolu a prospěch 2, 3,4,33,159,168.


Co je zvláštního na genomech patogenů?

Obligátní patogeny bývají vysoce adaptované na své hostitele, s propracovanými mechanismy pro synchronizaci jejich životních cyklů s hostitelským cyklem a schopností manipulovat s imunitním systémem hostitele, metabolismem a někdy i chováním. Geny kódující proteiny specifické pro patogenitu se označují jako faktory virulence, které zahrnují různé molekuly potřebné pro kolonizaci hostitele, imunoevázi a imunosupresi, vychytávání živin v hostiteli a vstup do buněk a výstup z nich pro intracelulární patogeny.

U bakterií se faktory virulence často nacházejí ve skupinách genů na ostrovech patogenity, které lze přenášet horizontálně plazmidy nebo jinými transponovatelnými prvky. Například jeden z definujících rysů morové bakterie Y. pestis od svého méně virulujícího nejbližšího příbuzného Yersinia pseudotuberculosis, je zahrnutí, v rané fázi svého vývoje, dvou plazmidů nesoucích geny zapojené do patogenity [7].

Zatímco získávání nových genů a přeměna stávajících genů je zásadní pro vývoj směrem k patogenitě, obecným rysem během vývoje směrem k patogenitě je redukce genomu inaktivací a ztrátou genů. To lze primárně vysvětlit skutečností, že hostitel představuje poměrně stabilní prostředí bohaté na zdroje, kde některé metabolické cesty požadované v prostředí nejsou nutné. Redukce genomu je obecným trendem doprovázejícím vývoj směrem k patogenitě a je pozorována u Mycobacterium tuberculosis, patogenní E-coli kmenů a v probíhající adaptaci Klebsiella pneumoniae linie u pacientů s cystickou fibrózou. Nejextrémnějším příkladem je malomocenství (M. leprae a M. lepromatóza), která shodila téměř polovinu genů nalezených u jejich příbuzných z prostředí [8]. Další zajímavou tendencí mnoha bakteriálních patogenů je sekundární ztráta schopnosti podstoupit genetickou rekombinaci [9].


4. Triatominové symbiózy

4.1. Klasické studie s Rhodococcus rhodnii

80% záchrany [178], ale velmi málo hmyzu dosáhlo dospělého stadia, což naznačuje, že symbionty zajišťují další faktory [178]. Na podporu těchto výsledků nedávné údaje z genomu R. rhodnii identifikovaly geny potřebné pro de novo biosyntézu těchto vitamínů, stejně jako B7 a B12 [190], a také potvrdily dřívější biochemické studie o metabolismu R. rhodnii [178,187,188].

24–48 hodin po krmení [192]). Nebyla provedena individuální a úplná faktoriální suplementace vitamínů B a záchrana před aposymbiotickými příznaky doplněním vitamínů nenaznačovala, že jsou produkovány bakteriemi [191]. Hill a spolupracovníci [191] zvolili kontrolovatelnější přístup k testování hypotézy suplementace vitamínů B vytvořením auxotrofních mutantů R. rhodnii. Došli k závěru, že vitamíny nejsou zásadním faktorem, protože hmyz infikovaný auxotrofními kmeny pro B1, B2, B3, B6, B7 nebo PABA se vyvíjel normálně. Místo toho navrhli, aby symbionti mohli metabolizovat prekurzory vitamínů nebo jiné látky, které pomáhají v obecných nutričních požadavcích na vývoj triatominu. Auxotrofní kmeny však byly vytvořeny nepřesnými mutagenními přístupy, mnohé měly děravé fenotypy, ztratily svůj auxotrofní fenotyp a nebyly testovány na jejich schopnost/neschopnost produkovat vitamíny B.


Získání fototrofie: adaptivní strategie hostování endosymbiontů a organel

Mnoho nefotosyntetických druhů prvoků a metazoanů je schopno hostit životaschopné endosymbionty řas nebo jejich organely prostřednictvím adaptací fagocytárních cest.Forma mixotrofie kombinující fototrofii a heterotrofii, získanou fototrofii (AcPh), zahrnuje sadu endosymbiotických a organelových retenčních interakcí, které se pohybují od fakultativních po obligátní. AcPh je běžný jev ve vodních ekosystémech, přičemž endosymbiotické asociace jsou obecně častější v prostředí chudém na živiny a retence organel je obvykle spojena s produktivnějšími. Všechny AcPhs těží ze zlepšeného růstu díky přístupu k fotosyntetickým produktům, nicméně stupeň metabolické integrace a závislosti v hostiteli se velmi liší. AcPh se nachází alespoň ve čtyřech hlavních eukaryotických superskupinách a je hybnou silou vývoje sekundárních a terciárních akvizic plastidů. Mutualistické dělení zdrojů charakterizuje většinu endosymbiotických interakcí řas, zatímco retence organel je forma predace, charakterizovaná tokem živin (tj. Růstem) v jednom směru. AcPh zahrnuje úpravy k rozpoznání specifické kořisti nebo endosymbiontů a k uložení organel nebo endosymbiontů v endomembránovém systému, ale bez trávení. V mnoha případech závisí hostitelé na produkci základních živin na AcPh, z nichž mnohé zůstávají nejasné. Praxe AcPh vedla k několika nezávislým akvizicím sekundárních a terciárních plastidů mezi několika eukaryotickými liniemi, což vedlo k různorodému spektru řas nacházejících se v moderních vodních ekosystémech. Tento článek zdůrazňuje ty AcPhs, které jsou modelovými výzkumnými organismy pro metazoany i protisty. Velká část základní biologie AcPhs zůstává záhadná, zejména (1) kvůli kterým esenciálním živinám nebo faktorům jsou určité formy AcPh povinné, (2) jak hostitelé regulují a manipulují s endosymbionty nebo sekvestrovanými organelami a (3) jaký genomový otisk, pokud existuje, AcPh listy na nefotosyntetických hostitelských druzích.

Toto je náhled obsahu předplatného, ​​přístup prostřednictvím vaší instituce.


Rozmanitost bakteriálních endosymbiontů životního prostředí Acanthamoeba Izoluje ▿ †

Volně žijící améby jsou častými hostiteli bakteriálních endosymbiontů. V této studii symbionti osmi nových environmentálních Acanthamoeba byly charakterizovány kmeny izolované z různých míst po celém světě. Fylogenetická analýza odhalila, že souvisejí s jednou ze čtyř dříve rozpoznaných evolučních linií symbiontů améby. Tato studie poskytuje důkaz o existenci pouze malého počtu fylogeneticky dobře oddělených skupin obligátních intracelulárních endosymbiontů akantaméb s globální distribucí.

Volně žijící améby jsou rozšířenými prvoky, včetně fylogeneticky rozmanitých rodů Acanthamoeba, Hartmanella, a Naegleria. Vyskytují se na různých stanovištích, včetně půdy, vody a vzduchu (37, 47), a v mnoha inženýrských prostředích, jako jsou zásoby vody a klimatizační jednotky (42). Volně žijící améby jsou oportunní patogeny způsobující keratitidu nebo encefalitidu a významní predátoři prokaryotických a eukaryotických mikroorganismů s velkým vlivem na složení mikrobiálního společenství (37, 47). Pásou na mikrobech přispívají volně žijící améby také k růstu rostlin, mineralizaci půdy a cyklům živin (9, 11, 47).

Kromě toho, že jsou některé bakterie zdrojem volně žijících améb, jsou schopné přežít fagocytózu a množit se v amébách. Spojení mezi těmito bakteriemi a jejich amébovými hostiteli může být buď přechodné (v případě fakultativních intracelulárních bakterií), nebo stabilní (v případě obligátních intracelulárních bakterií). Široká řada známých bakteriálních a eukaryotických patogenů je schopna infikovat améby a využívat je k množení (25, 33, 43). Volně žijící améby mohou tedy sloužit jako rezervoáry prostředí a vektory pro přenos patogenních bakterií na člověka (2, 5) a mohou představovat evoluční cvičiště usnadňující adaptaci bakterií na přežití v eukaryotických buňkách (15, 26, 29, 43, 44).

Byly popsány stabilní asociace bakterií s amébami vedoucí k dlouhodobým symbiotickým interakcím pro členy čtyř evolučních linií v rámci Alphaproteobacteria (7, 20, 30, 57), Betaproteobakterie (27, 31), Bacteroidetes (32, 57) a Chlamydiae (3, 8, 21, 27, 34). Rozdílný životní styl těchto obligátních intracelulárních bakterií —, buď přímo v cytoplazmě améby, nebo uzavřený v vakuolách odvozených od hostitele —, naznačuje zásadně odlišné mechanismy interakcí hostitel-buňka. S výjimkou amébových symbiontů souvisejících s chlamydiemi (22-24, 28, 29) jsou však naše znalosti o obligátních intracelulárních symbiontech améb stále vzácné. V této studii, román Acanthamoeba byly analyzovány kmeny a jejich symbionti.

Celkem bylo izolováno 10 různých kmenů améby ze vzorků půdních a jezerních sedimentů z Rakouska, Tuniska a Dominiky pomocí živných nebo tepelně inaktivovaných ploten na agarových plotnách bez živin Escherichia coli nebo Saccharomyces cerevisiae jak bylo popsáno dříve (Tabulka ​ (Tabulka1) 1) (27). Izoláty améby byly adaptovány na axenickou kulturu a předběžně klasifikovány jako Acanthamoeba spp. na základě morfologických kritérií charakteristických pro tento rod (velikost buněk, kontraktilní vakuola, jehlicovitá pseudopodie a vzhled jádra) (45). 8 z těchto 10 izolátů obsahovalo intracelulární bakterie, jak se ukázalo barvením fluorescenčním DNA barvivem 4 ′,6-diamidine-2 ′-fenylindol dihydrochloridem (DAPI). Izoluje EI1, EI2 a EI6 v sobě kokidní bakterie, zatímco izoláty EI3, EI4, EI5, 5a2 a EIDS3 obsahují tyčinkovité bakterie (tabulka ​ (tabulka1). 1). Dva Acanthamoeba izoláty bez intracelulárních bakterií nebyly dále analyzovány.

STŮL 1.

Izoláty améby a jejich symbionti analyzované v této studii

Acanthamoeba sp. izolovat a ATCC č.ZdrojRůstové médium a optimální teplota16S rRNA GenBank přístupové č. symbionta18S rRNA GenBank přístupové č. hostitele amébyNejvyšší podobnost sekvence 16S rRNA k A :Nejvyšší podobnost sekvence 18S rRNA k A :
EI1 PRA-227Půda Vídeň, RakouskoTSY, 20 ଌ AM408788 AM408796 Parachlamydia sp. izolovat Hallův kokus (99,5 % AF366365)Acanthamoeba castellanii (99,6 % M13435)
EI2 PRA-226Půda dolní RakouskoTSY, 20 ଌ AM408789 AM408797 Protochlamydia amoebophila UWE25 (98,9 a#x00025 AF083615)Acanthamoeba castellanii 4CL (98,9 % AF260724)
EI3 PRA-225Půda deštného pralesa DominikaTSY, 20 ଌ AM408790 AM408798 Candidatus Paracaedibacter acanthamoebae ” (99,7 % AF132137)Acanthamoeba sp. KA/MSS7 (99,6 % AY173015)
EI4 PRA-224Zahradní půda Vídeň, RakouskoPYG, 20 ଌ AM408791 AM408799 Candidatus Amoebophilus asiaticus ” TUMSJ-321 (98,3 % AF366581)Acanthamoeba polyphaga OX-1 (96,6 %), AF019051
EI5 PRA-223Pouštní písek, Matmata, TuniskoTSY, 20 ଌ AM408792 AM408800 Candidatus Procabacter acanthamoebae ” Strana23 (97,3 % AF177425)Acanthamoeba pustulosa (98,0 a#x00025 AF019050)
EI6 PRA-222Půda Schneeberg, dolní RakouskoTSY, 20 ଌ AM408793 AM408801 Parachlamydia sp. izolovat UV-7 (98,9 % AJ715410)Acanthamoeba castellanii (99,3 % M13435)
EIDS3 PRA-221Alkalický jezerní sediment Darscho Lacke, Burgenland, RakouskoPYG, 30 ଌ AM408794 AM408802 Candidatus Amoebophilus asiaticus ” TUMSJ-321 (99 % AF366581)Acanthamoeba sp. izolovat MZOR (99,7 % DQ103890)
5a2 PRA-228Jezerní sediment Neziderské jezero, Burgenland, RakouskoPYG, 30 ଌ AM408795 AM408803 Candidatus Amoebophilus asiaticus ” TUMSJ-321 (99,3 % AF366581)Acanthamoeba royreba Dubový hřeben ATCC 30884 (98,8 % U07417)

Simultánní izolace DNA z hostitelů améby a jejich bakteriálních endosymbiontů byla provedena, jak bylo popsáno dříve (27). Geny 18S rRNA byly amplifikovány pomocí primerů zaměřených na konzervované oblasti genu 18S rRNA (viz tabulka S1 v doplňkovém materiálu), klonovány pomocí soupravy Topo TA (Invitrogen Life Technologies) a sekvenovány na genetickém analyzátoru ABI 3130 XL pomocí soupravy BigDye Terminator v3.1. Pro každý izolát byly analyzovány tři až šest klonů a bylo shledáno, že jsou identické (podobnost sekvencí 99,8 až 100 a#x00025). Software Pintail (4) ukázal, že získané sekvence nejsou chimérické.

Všechny 18S rRNA sekvence vykazovaly nejvyšší podobnost sekvencí s členy rodu Acanthamoeba (96,6 až 99,7 %) hodnoty podobnosti s jinými rody byly pod 90 % (tabulka ​ (tabulka1). 1). Použití prahové hodnoty podobnosti 95 % pro definici Acanthamoeba Typy sekvence 18S rRNA (51), Acanthamoeba sp. izoláty EI1, EI2, EI3, 5a2, EIDS3 a EI6 lze přiřadit k sekvenci typu T4 a Acanthamoeba sp. izoláty EI4 a EI5 by mohly být přiřazeny k sekvenci typu T2. Fylogenetická analýza pomocí softwarového balíku ARB (41) konzistentně odhalila dobře podporované vztahy nových izolátů améby s rodem Acanthamoeba a genotypy T2 a T4 (obr. ​ (obr. 1). 1). Acanthamoeba typy sekvencí zhruba korelují s morfologickými seskupeními a také se zdají být v souladu s profily antigenu (38). Bakteriální symbionti byli dříve identifikováni v Acanthamoeba kmeny patřící k sekvenčním typům T4, T5 a T13 (30, 31), zda přítomnost bakteriálních symbiontů je nějakým způsobem korelována s typy hostitelských sekvencí, je však otevřenou otázkou vzhledem k omezeným dostupným datům. Osm Acanthamoeba izoláty obsahující endosymbionty byly uloženy v American Type Culture Collection (Tabulka ​ (Tabulka 11).

Fylogenetické vztahy Acanthamoeba hostitelské buňky. Je ukázán strom TREE-PUZZLE na bázi 18S rRNA (model substituce nukleotidů HKY) (52). Pro výpočty stromů byl použit filtr zohledňující pouze polohy, které jsou konzervovány v alespoň 50 % všech sekvencí amoebal 18S rRNA. Vybraný Acanthamoeba Jsou uvedeny typy sekvencí 18S rRNA (51). Černé tečky představují uzly s podporou TREE-PUZZLE a maximálními hodnotami bootstrapu PHYLIP (převzorkování 1 000) (18) větší než 80 %. Přístupová čísla GenBank jsou uvedena v závorkách. Šipka ukazuje směrem mimo skupinu. Pruh ve spodní části představuje 10 % odhadované evoluční vzdálenosti.

Za účelem identifikace bakteriálních endosymbiontů získaných Acanthamoeba izoláty, byly amplifikovány jejich 16S rRNA genové sekvence téměř úplné délky (1 388 až 1 549 bp) (viz tabulka SI v doplňkovém materiálu) a klonovány. Pro každého symbionta byly sekvenovány tři až šest klonů a bylo shledáno, že jsou identické (podobnost sekvencí 99,9 až 100 a#x00025), software Pintail ukázal, že získané 16S rRNA sekvence nejsou chimérické. Srovnávací sekvenční analýza odhalila, že všechny sekvence jsou velmi podobné dříve popsaným obligátním endosymbiontům volně žijících améb (tabulka ​ (tabulka 11).

Tři z identifikovaných symbiontů (v izolátech EI1, EI2 a EI6) vykazovali nejvyšší podobnost sekvence 16S rRNA (98,9 až 99,5 %) se členy Parachlamydiaceae (Tabulka ​ (Tabulka1) 1) a patří tedy do rodů Parachlamydia a Protochlamydie v rámci této rodiny, podle navrhované taxonomie Chlamydiae (13, 17, 39). Dále jsou tyto bakterie označovány jako Parachlamydia sp. izolovat EI1, Parachlamydia sp. izolovat EI6 a Protochlamydie sp. izolovat EI2.

Tři Acanthamoeba endosymbionti (v izolátech EI4, 5a2 a EIDS3) vykazovali nejvyšší podobnost sekvence 16S rRNA se skupinou symbiontů améb uvnitř Bacteroidetes (98,3 až 99,3 %) (Tabulka ​ (Tabulka1), 1), jehož jediným popsaným zástupcem je “Candidatus Amoebophilus asiaticus ” TUMSJ-321 (32). S výjimkou skupiny symbiontů členovců souvisejících s “Candidatus Cardinium hertigii ” (58), podobnost těchto bakterií s jinými členy Bacteroidetes byla pod 85 %. Tito symbionti byli tedy pojmenováni “Ca. Amoebophilus ” EI4, “Ca. Amoebophilus ” 5a2 a “Ca. Amoebophilus ” EIDS3.

Endosymbiont z Acanthamoeba izolát EI3 byl nejvíce podobný alfaproteobakteriálnímu Acanthamoeba symbiont “Candidatus Paracaedibacter acanthamoebae ” UWC9 (podobnost sekvencí 99,7 %) (tabulka ​ (tabulka1) 1) (30) podobnost s jinými členy Alphaproteobacteria byla výrazně nižší (83 až 92 %). Endosymbiont z Acanthamoeba izolát EI3 je proto předběžně označován jako “Candidatus Paracaedibacter ” EI3.

Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolát EI5 měl nejvyšší podobnost se skupinou betaproteobakteriálních endosymbiontů volně žijících améb, zejména s “Candidatus Podobnost s Procabacter acanthamoebae ” Strana 23 (97,3 %) (Tabulka ​ (Tabulka1) 1) (27, 31) Betaproteobakterie byla pod 90 %. Tento symbiont byl prozatímně pojmenován “Candidatus Procabacter ” EI5.

Všechny aplikované stromové metody používané k řešení fylogenetických vztahů nově identifikovaných endosymbiontů konzistentně vykazovaly příslušnost endosymbiontů k jejich nejpodobnějším sekvencím a vytvářely stabilní monofyletické linie symbiotických bakterií s vysokou bootstrapovou a TREE-PUZZLE podporou uvnitř Proteobakterie, Chlamydiaea Bacteroidetes (Obr. ​ (obr. 2 2).

Fylogenetické vztahy Acanthamoeba symbionti. Pro proteobakteriální symbionty (A) jsou uvedeny stromy založené na 16S rRNA vypočítané pomocí algoritmu TREE-PUZZLE (model substituce nukleotidů HKY) (52). Bacteroidetes symbiontů (B) a chlamydiových symbiontů (C). Filtr zohledňující pouze polohy, které jsou zachovány alespoň v 50 % ze všech Bakterie kmeny byly použity pro výpočty stromů. Černé tečky představují uzly s podporou TREE-PUZZLE a maximálními hodnotami bootstrapu PHYLIP (1.000 převzorkování) (18) větší než 80 %. Přístupová čísla GenBank jsou uvedena v závorkách. Šipky ukazují směrem k out-skupinám. Pruh ve spodní části obrázku představuje 10 % odhadované evoluční vzdálenosti.

Aby bylo možné prokázat intracelulární umístění bakteriálních symbiontů v jejich Acanthamoeba hostitelé, byla provedena fluorescenční in situ hybridizace (FISH) v kombinaci s konfokální laserovou skenovací mikroskopií. Améby byly sklizeny z axenických kultur centrifugací (4 000 a#x 000d7 G 5 minut) a promyje fyziologickým roztokem 1 × Page (45). Po resuspendování ve 100 μl 1 × fyziologického roztoku stránky bylo 20-μl alikvotů amébové suspenze inkubováno na skleněných podložních sklících po dobu 20 minut, aby bylo umožněno připojení améb a fixováno 20 μl 4 % paraformaldehydu pro 20 minut při pokojové teplotě. Hybridizace byla provedena, jak je popsáno jinde (14).

Sondy specifické pro Symbiont byly vybrány pomocí probeBase (viz tabulka S1 v doplňkovém materiálu) (40) a aplikovány na FISH za doporučených podmínek. Byly získány pozitivní hybridizační reakce pro všech osm endosymbiontů se specifickými sondami Bn9-658, Aph1180, Proca438 a CC23a, které potvrdily identifikaci založenou na 16S rRNA a intracelulární umístění těchto symbiontů (obr. ​ (obr. 3). 3). Současná hybridizace se sondami specifickými pro symbionty a univerzální sadou bakteriálních sond EUB-Mix značenými různými barvivy navíc ukázala, že všechny bakterie v Acanthamoeba buňky byly obarveny jak symbiontově specifickými sondami, tak EUB-Mix, což dokazuje přítomnost pouze jednoho symbiontového fylotypu v příslušném Acanthamoeba hostitelé (obr. ​ (obr. 3 3).

Identifikace a intracelulární lokalizace Acanthamoeba symbionti od FISH. Sondy EUK516 označené Cy5 (a zobrazené modře), zaměřující se na většinu Eukaryaa EUB-Mix označené barvou Fluos (zelená), zaměřující se na většinu Bakterie kmeny, byly použity ve všech experimentech v kombinaci s Cy3-značenými symbiontově specifickými sondami (červená) (Tabulka ​ (Tabulka2) 2) kombinovaný signál z bakteriálních a symbiont-specifických sond vypadá žlutě. Byly provedeny nejméně tři nezávislé experimenty a � individuální Acanthamoeba byly zkoumány hostitelské buňky, z nichž všechny byly infikovány. Jsou ukázány reprezentativní konfokální laserové skenovací mikrografy. (A) Parachlamydia sp. izolovat EI1 Acanthamoeba sp. izolovat EI1 (sonda Bn9-658). (B) Protochlamydie sp. izolovat EI2 v Acanthamoeba sp. izolovat EI2 (sonda Bn9-658). (C) “Candidatus Paracaedibacter ” EI3 in Acanthamoeba sp. izolovat EI3 (sonda Cc23a). (D) “Candidatus Amoebophilus ” EI4 in Acanthamoeba sp. izolovat EI4 (sonda Aph1180). (E) “Candidatus Procabacter ” EI5 in Acanthamoeba sp. izolovat EI5 (sonda Proca438). (F) Parachlamydia EI6 palců Acanthamoeba sp. izolovat EI6 (sonda Bn9-658). (G) “Candidatus Amoebophilus ” EIDS3 palce Acanthamoeba sp. izolovat EIDS3 (sonda Aph1180). (H) “Candidatus Amoebophilus ” 5a2 in Acanthamoeba sp. izolovat 5a2 (sonda Aph1180). Bílé pruhy v pravém dolním rohu každého panelu představují 10 μm.

Ultrastruktura a intracelulární výklenek bakteriálních symbiontů v jejich hostitelských buňkách améby byly dále zkoumány transmisní elektronovou mikroskopií. Pro tuto analýzu byl vybrán jeden zástupce každé evoluční linie (obr. ​ (obr. 4). 4). Améby byly sklizeny z axenických kultur a přímo fixovány 2 % glutaraldehydem v 1 × Page amébovém fyziologickém roztoku po dobu 1 hodiny při pokojové teplotě, poté následovala fixace 2 % oxidem osmičelým po dobu 1 hodiny při pokojové teplotě a dehydratace ve vzestupné sérii aceton.Následně byly vzorky vloženy do pryskyřice Spurr (Sigma-Aldrich) polymerací při 60 ଌ po dobu 8 až 12 hodin. Ultratenké řezy byly obarveny 1 % uranyl acetátem po dobu 4 minut a 0,3 % citrátem olovnatým po dobu 2 minut a vyšetřeny transmisním elektronovým mikroskopem Zeiss CEM 902.

Ultrastruktura symbiontů uvnitř Acanthamoeba hostitelské buňky. Jsou ukázáni zástupci z každé fylogenetické skupiny symbiontů. (A) Parachlamydia sp. izolovat EI1. V chlamydiové inkluzi lze vidět elementární (černá šipka) a síťovaná (bílá šipka). (B) “Candidatus Amoebophilus ” EI4. (C) “Candidatus Paracaedibacter ” EI3. Průsvitný prostor elektronů, který svědčí o vrstvě kapsle nebo slizu, obklopující “Candidatus Paracaedibacter ” EI3 je jasně viditelný. (D) “Candidatus Procabacter ” EI5 je obklopen membránou (černá šipka). (E) Protochlamydie sp. izolovat EI2. Každý Protochlamydie sp. buňka izolátu EI2 je obklopena inkluzní membránou. Mitochondrie jsou označeny “m. ” Délky pruhů v pravém dolním rohu každého panelu představují 1 μm.

Parachlamydia sp. izolát EI1 vykazoval morfologické formy typické pro chlamydiová vývojová stadia, skládající se z elektronově hustých elementárních těl a elektronově průsvitných retikulárních tělísek (1, 13, 21, 24, 35, 56). Průměry elementárních a síťovaných těl byly 0,4 až 0,6 μm, respektive 0,6 až 0,9 μm (obr. ​ (obr. 4A). 4A). Síťovaná, ale ne elementární těla byla pozorována při binárním štěpení. Kromě toho, Parachlamydia sp. izolát EI1 sídlil ve velkých vakuolách připomínajících inkluzní charakteristiku odvozenou od hostitele pro známé chlamydie (19).

Ca. Amoebophilus ” EI4 měl tyčkovitý tvar (0,3 až 0,5 μm v průměru a 0,7 až 1,4 μm na délku) a vypadal rovnoměrně rozložen v hostitelské cytoplazmě (obr. ​ (obr. 4B). 4B). Spojení s hostitelskými membránami posetými ribozomy nebylo pro “ tak zřejméCa. Amoebophilus ” EI4 jako u ostatních “Ca. Amoebophilus asiaticus ” kmeny (32, 57).

Ca. Paracaedibacter ” EI3 měl tyčinkovitou morfologii (0,2 až 0,4 μm v průměru a 0,9 až 1,4 μm na délku). Zdálo se, že tyto bakterie jsou umístěny přímo v cytoplazmě hostitelské buňky, nejsou uzavřeny ve vakuolách, ale obklopeny elektronově průsvitným prostorem, což naznačuje vrstvu kapsle nebo slizu podobnou vrstvě “Ca. Paracaedibacter acanthamoebae ” UWC9 a další podobné kmeny (obr. ​ (obr. 4C) 4C) (7, 30, 57).

Betaproteobakteriální “Ca. Procabacter ” EI5 vykazoval morfologii ve tvaru tyčinky (0,3 až 0,4 μm v průměru a 0,8 až 1,3 μm na délku) a byl rovnoměrně distribuován v hostitelské cytoplazmě (obr. ​ (obr. 4D). 4D) . Zajímavé je, že “Ca. Procabacter ” EI5, podobný jinému Procabacter-příbuzný symbiont améby popsaný nedávno (“Candidatus Procabacter ” OEW1) (27), byl uzavřen membránou, což kontrastuje s původním popisem jeho nejbližších příbuzných, “Ca. Kmeny Procabacter acanthamoebae ” Strana 23, UWC12 a UWE2, které byly nalezeny přímo v cytoplazmě (31).

Ve světle všudypřítomnosti acanthamoebae a četných hlášených přechodných asociací mezi fakultativními intracelulárními bakteriemi a amébami bylo překvapující, že všichni symbionti nového Acanthamoeba izoláty zkoumané v této studii byly příbuzné jakékoli ze čtyř známých skupin obligátních amébových endosymbiontů (obr. ​ (obr.2) 2) (3, 7, 8, 20, 21, 31, 32, 34, 57) . To je ještě pozoruhodnější, protože žádný z nich Acanthamoeba zde analyzované izoláty pocházely z místa, kde byl dříve odebrán vzorek (Tabulka ​ (Tabulka2). 2). Ve skutečnosti byli pro každou fylogenetickou skupinu symbiontů získáni hostitelé améby z různých stanovišť a různých míst po celém světě. Proteobakteriální symbionti byli například nalezeni v amébách z Ameriky, Evropy, Afriky a Asie. To naznačuje globální distribuci pouze malého počtu fylogeneticky odlišných skupin symbiontů améby.

TABULKA 2.

Přehled rozpoznaných obligátních intracelulárních symbiontů volně žijících améb

Bakteriální linieAmoeba symbiont označení AZemě původu bZdrojové stanovištěPřírůstkové číslo GenBank 16S rRNAReference nebo zdroj
AlphaproteobacteriaCandidatus Paracaedibacter acanthamoebae ” UWC9USAPouzdro na kontaktní čočky AF132137 30
Candidatus Paracaedibacter ” EI3DominikaPůda deštného pralesa AM408790 Tato studie
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat KA/E23Jižní KoreaLidská rohovková tkáň EF140636 57
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat KA/E22Jižní KoreaLidská rohovková tkáň EF140634 57
Candidatus Odyssella thessalonicensis ”ŘeckoVoda z klimatizace AF069496 7
Candidatus Paracaedibacter symbiosus ” E39USA (MN)Půda AF132139 30
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat TUMK-23NěmeckoAktivovaný kal AY102614 6
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat KA/E9Jižní KoreaLidská rohovková tkáň EF140635 57
Caedibacter acanthamoebae HN-3USAVýtěžek z nosu AF132138 30
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat UWC8USALidská rohovková tkáň AF069963 20
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat UWC36USALidská rohovková tkáň AF069962 20
Endosymbiont z Nuclearia pattersoniČeská republikaŽábry (plotice [Rutilus rutilus]) AY364636 16
Candidatus Procabacter acanthamoebae ” UWC12USALidská rohovková tkáň AF177427 31
Candidatus Procabacter ” Strana23USA (WI)Sladkovodní AF177425 31
Candidatus Procabacter ” TUMSJ-341MalajsieJezerní sediment AF352386 31
Candidatus Procabacter ” TUMSJ-226MalajsieJezerní sediment AF352385 31
Candidatus Procabacter ” UWC6USALidská rohovková tkáň AF177426 31
Candidatus Procabacter ” UWE2USA (MN)Půda AF177424 31
Candidatus Procabacter ” EI5TuniskoPouštní písek AM408792 Tato studie
Candidatus Procabacter ” OEW1RakouskoSediment solného jezera AM412761 27
BacteroidetesCandidatus Amoebophilus asiaticus ” TUMSJ-321MalajsieJezerní sediment AF366581 32
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat KA/E21Jižní KoreaLidská rohovková tkáň EF140637 57
Candidatus Amoebophilus ” EIDS3RakouskoAlkalický jezerní sediment AM408794 Tato studie
Candidatus Amoebophilus ” EI4RakouskoPůda AM408791 Tato studie
Candidatus Amoebophilus ” 5a2RakouskoJezerní sediment AM408795 Tato studie
ChlamydiaeProtochlamydia amoebophila UWE25USA (WA)Půda AF083615 13
Protochlamydia naegleriophila KNicNěmeckoSladkovodní akvarijní vodaDQ63260910
Candidatus Protochlamydia ” EI2RakouskoPůda AM408789 Tato studie
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat UWE1USA (WA)Půda AF083614 21
Parachlamydia acanthamoebae Bn9NěmeckoVýtěžek z nosuY075563
Parachlamydia acanthamoebae Berg17NěmeckoVýtěžek z nosu AM941720 3
Parachlamydia sp. izolovat Hallův kokus AUSA (VT)Voda ze zvlhčovače AF366365 8
Parachlamydia sp. izolovat EI1RakouskoPůda AM408788 Tato studie
Parachlamydia sp. izolovat EI6RakouskoPůda AM408793 Tato studie
Parachlamydia sp. izolovat UV-7NěmeckoAktivovaný kal AJ715410 12
Parachlamydia sp. izolovat SeinuFrancieSladká voda (řeka Seina)DQ30902953
Parachlamydia sp. izolovat OEW1RakouskoSediment solného jezera AM412760 27
Neochlamydia hartmannellaeNěmeckoVoda z vodovodního potrubí AF177275 34
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat TUME1NěmeckoAktivovaný kal AF098330 21
Endosymbiont z Acanthamoeba sp. izolovat UWC22USALidská rohovková tkáň AF083616 21
Criblamydia sequanensisFrancieSladká voda (Seina)DQ12430053

Navzdory existenci pouze několika hlavních evolučních linií symbiontů améby existuje v některých z těchto linií značná rozmanitost. Alfaproteobakteriální a chlamydiové symbionty obsahují alespoň čtyři různé rody (Tabulka ​ (Tabulka2). 2). Kromě toho dva z bakteriálních symbiontů identifikovaných v této studii, “Candidatus Amoebophilus ” EI4 a “Candidatus Procabacter ” EI5, vykazoval 16S rRNA sekvenční podobnost pod nedávno navrženými prahovými hodnotami pro rozlišení bakteriálních druhů 98,6 nebo 98,7 % (36, 50), a tedy představují nové druhy v rámci předběžných rodů “Ca. Amoebophilus ” (celkem nejméně tři druhy) a “Ca. Procabacter ” (alespoň čtyři druhy) (Tabulka ​ (Tabulka2). 2). Tato druhová diverzita je dále podpořena rozdíly v ultrastruktuře a subcelulárním umístění pozorovanými v této studii ve srovnání s těmi v předchozích zprávách (27, 31, 32, 57).

Jedno z možných vysvětlení pozorované omezené fylogenetické rozmanitosti bakteriálních endosymbiontů Acanthamoeba druhy mohou být potenciální zkreslení zavedené izolačními postupy a adaptací na podmínky axenické kultury. Použití misek bez živinového agaru s E-coli nebo Enterobacter aerogenes zdroj potravy je v současné době standardním postupem pro izolaci volně žijících améb a byl použit k regeneraci fylogeneticky rozmanitých améb (37, 48, 49). Od osmi Acanthamoeba izolátů analyzovaných v této studii, šest patří Acanthamoeba sekvenční typ T4 (obr. Acanthamoeba izoláty (37, 49, 55), přičemž dva patří do sekvence typu T2. To ukazuje, že mezi izoláty získanými metodou použitou v této studii existuje značná fylogenetická rozmanitost. I když je to nepravděpodobné, nemůžeme vyloučit, že z nějakého neznámého důvodu jsou naší izolační procedurou vybrány améby obsahující určité typy symbiontů. V této souvislosti se zdá zajímavé, že améba v sobě skrývá “Ca. Procabacter ” EI5, který se nejvíce liší od známých symbiontů améby, byl získán z agarových misek s živinami Saccharomyces cerevisiae namísto E-coli jako zdroj potravy. Jednou z možností izolace volně žijících améb, které ukrývají nové bakteriální endosymbionty, by proto mohlo být během izolace použití alternativních zdrojů potravy.

Nedávno byla popsána další možnost objevu nových intracelulárních bakterií. Společná kultivace vzorků prostředí s amébami (bez symbiontů) byla úspěšně použita k identifikaci obligátních nebo fakultativních intracelulárních bakterií a k jejich růstu v náhradě Acanthamoeba hostitel (13, 46, 53, 54). Tato technika je zdaleka méně časově náročná než izolace améb a adaptace na podmínky axenické kultury pomocí tradičních metod. Kokultivační přístup však má tu nevýhodu, že identita původního hostitele (což nemusí být nutně améba) zůstává neznámá.

Ve shodě s předchozími zprávami (3, 7, 20, 21, 30-32, 34, 57) tato studie poskytuje důkaz o existenci pouze omezeného počtu fylogeneticky odlišných skupin obligátních bakteriálních endosymbiontů Acanthamoeba spp., zobrazující globální distribuci. To by mohlo naznačovat, že adaptace bakterií na dlouhodobou intracelulární symbiózu s akantamébami vznikla během evoluce jen několikrát. Probíhající genomové projekty Parachlamydia acanthamoebae UV7, “Candidatus Amoebophilus asiaticus ” 5a2, a Acanthamoeba castellanii Neff pomůže porozumět podobnostem a rozdílům mezi těmito symbionty a interakcemi s nimi Acanthamoeba hostitelé, stejně jako role volně žijících améb jako evolučních cvičišť fakultativních intracelulárních bakterií.


Obsah

Ruský botanik Konstantin Mereschkowski nejprve nastínil teorii symbiogeneze (z řečtiny: σύν syn „společně“, βίος bios „život“ a γένεσις Genesis „původ, narození“) ve svém díle z roku 1905, Povaha a původ chromatoforů v rostlinné říši, a pak to zpracoval ve své 1910 Theory of Two Plasms as the Basis of Symbiogenesis, a New Study of the Origins of Organisms. [4] [5] [6] Mereschkowski věděl o práci botanika Andrease Schimpera, který v roce 1883 pozoroval, že rozdělení chloroplastů v zelených rostlinách se velmi podobá rozdělení volně žijících sinic, a který se sám předběžně navrhl (v poznámka pod čarou), že zelené rostliny vzešly ze symbiotického spojení dvou organismů. [7] V roce 1918 publikoval francouzský vědec Paul Jules Portier [fr] Les Symbiotes, ve kterém tvrdil, že mitochondrie pocházejí z procesu symbiózy. [8] [9] Ivan Wallin prosazoval myšlenku endosymbiotického původu mitochondrií ve 20. letech 20. století. [10] [11] Ruský botanik Boris Kozo-Polyansky se stal prvním, kdo vysvětlil teorii z hlediska darwinovské evoluce. [12] Ve své knize z roku 1924 Nový princip biologie. Esej o teorii symbiogeneze, [13] napsal: „Teorie symbiogeneze je teorie výběru, která se opírá o fenomén symbiózy.“ [14]

Tyto teorie získaly trakci až po podrobnějším elektronicko-mikroskopickém srovnání mezi sinicemi a chloroplasty (například studie Hanse Rise publikované v letech 1961 a 1962 [15] [16]), spojené s objevem, že plastidy a mitochondrie obsahují vlastní DNA [ 17] (který byl v této fázi uznán jako dědičný materiál organismů) vedl v 60. letech ke vzkříšení myšlenky symbiogeneze. Lynn Margulis pokročila a podložila teorii mikrobiologickými důkazy v článku z roku 1967, O původu mitosingových buněk. [18] Ve své práci z roku 1981 Symbióza v evoluci buněk tvrdila, že eukaryotické buňky vznikly jako společenství interagujících entit, včetně endosymbiotických spirochaet, které se vyvinuly v eukaryotické bičíky a řasinky. Tato poslední myšlenka nebyla příliš přijata, protože bičíky postrádají DNA a nevykazují ultrastrukturální podobnosti s bakteriemi nebo archeami (viz také: Vývoj bičíků a prokaryotického cytoskeletu). Podle Margulise a Doriona Sagana [19] „Život nepřevzal zeměkouli bojem, ale vytvářením sítí“ (tj. Spoluprací). Christian de Duve navrhl, že peroxisomy mohly být prvními endosymbionty, což buňkám umožní odolat rostoucímu množství volného molekulárního kyslíku v zemské atmosféře. Nyní se však zdá, že mohou být vytvořeny peroxisomy de novo, což je v rozporu s myšlenkou, že mají symbiotický původ. [20]

Základní teorie symbiogeneze jako původu mitochondrií a chloroplastů je nyní široce přijímána. [2]

Podle Keelinga a Archibalda [21] biologové obvykle odlišují organely od endosymbiontů podle zmenšených velikostí genomu. Jak se endosymbiont vyvíjí na organelu, většina jeho genů je přenesena do genomu hostitelské buňky. [22] Hostitelská buňka a organela potřebují vyvinout transportní mechanismus, který umožní návrat proteinových produktů, které organela potřebuje, ale které nyní buňka vyrábí. Sinice a α-proteobakterie jsou nejblíže příbuznými volně žijícími organismy k plastidům a mitochondriím. [23] Cyanobakterie i α-proteobakterie udržují velký (> 6 Mb) genom kódující tisíce proteinů. [23] Plastidy a mitochondrie vykazují dramatické zmenšení velikosti genomu ve srovnání s jejich bakteriálními příbuznými. [23] Chloroplastové genomy ve fotosyntetických organizmech mají normálně 120–200 kb [24] kódujících 20–200 proteinů [23] a mitochondriální genomy u lidí mají přibližně 16 kb a kódují 37 genů, z nichž 13 jsou proteiny. [25] Na příkladu sladkovodního améboidu však Paulinella chromatophoraKeeling a Archibald tvrdí, že toto není jediné možné kritérium, které spočívá v tom, že hostitelská buňka převzala kontrolu nad regulací bývalého endosymbiontova dělení, čímž jej synchronizuje s vlastním dělením buňky. [21] Nowack a její kolegové [26] provedli sekvenování genů na chromatoforu (1,02 Mb) a zjistili, že těmito fotosyntetickými buňkami bylo kódováno pouze 867 proteinů. Srovnání s jejich nejbližšími volně žijícími sinicemi rodu Synechococcus (s genomem velikosti 3 Mb, s 3 300 geny) odhalilo, že chromatofory prošly drastickým zmenšením genomu. Chromatofory obsahovaly geny, které byly zodpovědné za fotosyntézu, ale byly nedostatečné v genech, které by mohly provádět jiné biosyntetické funkce, toto pozorování naznačuje, že tyto endosymbiotické buňky jsou svými mechanismy přežití a růstu vysoce závislé na svých hostitelích. Bylo tedy zjištěno, že tyto chromatofory jsou pro účely specifické pro organely nefunkční ve srovnání s mitochondriemi a plastidy. Toto rozlišení mohlo podpořit ranou evoluci fotosyntetických organel.

Ke ztrátě genetické autonomie, tj. Ke ztrátě mnoha genů od endosymbiontů, došlo velmi brzy v evoluční době. [27] Při zohlednění celého původního endosymbiontového genomu existují tři hlavní možné osudy genů v průběhu evolučního času. První osud zahrnuje ztrátu funkčně nadbytečných genů [27], ve kterých jsou nakonec ztraceny geny, které jsou již v jádru zastoupeny. Druhý osud zahrnuje přenos genů do jádra. [23] [27] [28] [29] [30] Ztrátu autonomie a integraci endosymbionta s hostitelem lze primárně přičíst přenosu jaderného genu. [30] Protože organelové genomy byly v průběhu evolučního času značně redukovány, jaderné geny se rozšířily a staly se komplexnějšími. [23] V důsledku toho je mnoho plastidových a mitochondriálních procesů řízeno nukleárně kódovanými genovými produkty.[23] Navíc mnoho jaderných genů pocházejících z endosymbiontů získalo nové funkce, které nesouvisejí s jejich organelami. [23] [30]

Mechanismy přenosu genů nejsou zcela známy, existuje však několik hypotéz, které tento jev vysvětlují. Hypotéza komplementární DNA (cDNA) zahrnuje použití messengerové RNA (mRNA) k transportu genů z organel do jádra, kde jsou převedeny na cDNA a začleněny do genomu. [23] [28] Hypotéza cDNA je založena na studiích genomů kvetoucích rostlin. Proteinové kódující RNA v mitochondriích jsou spojeny a upraveny pomocí organel-specifického sestřihu a editačních míst. Jaderné kopie některých mitochondriálních genů však neobsahují místa sestřihu specifická pro organelu, což naznačuje zpracovaný meziprodukt mRNA. Hypotéza cDNA byla od té doby revidována, protože editované mitochondriální cDNA nepravděpodobně rekombinují s jaderným genomem a je větší pravděpodobnost rekombinace se svým nativním mitochondriálním genomem. Pokud by se upravená mitochondriální sekvence rekombinovala s mitochondriálním genomem, mitochondriální sestřihová místa by v mitochondriálním genomu již neexistovala. Jakýkoli následný přenos jaderného genu by proto také postrádal mitochondriální spojovací místa. [23]

Hypotéza objemového toku je alternativou k hypotéze cDNA, kde se uvádí, že mechanismem přenosu genu je uniklá DNA, nikoli mRNA. [23] [28] Podle této hypotézy poruchy organel, včetně autofagie (normální destrukce buněk), gametogeneze (tvorba gamet) a buněčného stresu, uvolňují DNA, která je importována do jádra a začleněna do jaderné DNA pomocí nehomologní spojování konců (oprava dvouvláknových zlomů). [28] Například v počátečních stádiích endosymbiózy měla hostitelská buňka kvůli nedostatečnému přenosu hlavního genu malou až žádnou kontrolu nad endosymbiontem. Endosymbiont prošel buněčným dělením nezávisle na hostitelské buňce, což mělo za následek mnoho „kopií“ endosymbiontu v hostitelské buňce. Některé z endosymbiontů lyzovaly (praskly) a do jádra byly začleněny vysoké hladiny DNA. Předpokládá se, že k podobnému mechanismu dochází v rostlinách tabáku, které vykazují vysokou rychlost přenosu genů a jejichž buňky obsahují více chloroplastů. [27] Hypotéza objemového toku je navíc podpořena také přítomností náhodných shluků genů organel, což naznačuje současný pohyb více genů. [28]

Molekulární a biochemické důkazy naznačují, že mitochondrie souvisejí s proteobakteriemi Rickettsiales (zejména clade SAR11, [31] [32] nebo blízkými příbuznými) a že chloroplasty souvisejí s vláknitými sinicemi fixujícími dusík. [33] [34]

Endosymbiotická teorie původu mitochondrií naznačuje, že protoeukaryot pohltil protomitochondrie a z tohoto endosymbiontu se stala organela. [35]

Mitochondrie Upravit

Mitochondrie jsou organely, které syntetizují ATP pro buňku metabolizací makromolekul na bázi uhlíku. [36] Přítomnost deoxyribonukleové kyseliny (DNA) v mitochondriích a proteinech, odvozených z mtDNA, naznačuje, že tato organela mohla být prokaryotem před integrací do proto-eukaryotu. [37] Mitochondrie jsou považovány spíše za organely než za endosymbionty, protože mitochondrie a hostitelské buňky sdílejí některé části svého genomu, současně podstupují mitózu a navzájem si poskytují prostředky k výrobě energie. [37] Předpokládalo se, že endomembránový systém a jaderná membrána pocházejí z protomitochondrií. [38] [39] [40]

Úpravy jaderné membrány

Přítomnost jádra je jedním z hlavních rozdílů mezi eukaryoty a prokaryoty. [41] Některé konzervované jaderné proteiny mezi eukaryoty a prokaryoty naznačují, že tyto dva typy měly společného předka. [42] Další teorií nukleace je, že rané proteiny jaderné membrány způsobily, že se buněčná membrána složila dovnitř a vytvořila kouli s póry jako jaderná obálka. [43] Pokud jde o energetický výdej, endosymbióza by buňce ušetřila více energie na vývoj jaderné membrány, než kdyby buňka složila svoji buněčnou membránu, aby vyvinula tuto strukturu, protože interakce mezi proteiny obvykle umožňuje ATP. [39] Trávení pohlcených buněk bez komplexního metabolického systému, který produkuje obrovské množství energie, jako jsou mitochondrie, by bylo pro hostitelskou buňku náročné. [38] Tato teorie naznačuje, že vezikuly opouštějící protomitochondrie mohly tvořit jaderný obal. [38]

Proces symbiogeneze, kterým raná eukaryotická buňka integrovala proto-mitochondrii, pravděpodobně zahrnoval ochranu archaealního hostitelského genomu před uvolněním reaktivních druhů kyslíku (ROS). ROS by byly vytvořeny během oxidační fosforylace a produkce ATP proto-mitochondrií. Jaderná membrána se mohla vyvinout jako adaptivní inovace pro ochranu před poškozením DNA nukleárního genomu způsobeným takovým ROS. [44] K podstatnému přenosu genů z rodového proto-mitochondriálního genomu do jaderného genomu došlo pravděpodobně během rané eukaryotické evoluce. [45] Větší ochrana jaderného genomu před ROS poskytovaná jadernou membránou může vysvětlit adaptivní přínos tohoto přenosu genů.

Úpravy endomembránového systému

Moderní eukaryotické buňky používají endomembránový systém k přepravě produktů a odpadů v buňkách, uvnitř a ven z buněk. Membrána jaderného obalu a endomembránové váčky jsou složeny z podobných membránových proteinů. [46] Tyto vezikuly také sdílejí podobné membránové proteiny s organelou, ze které pocházejí nebo ke které cestují. [47] To naznačuje, že to, co tvořilo jadernou membránu, tvořilo také endomembránový systém. Prokaryoty nemají složitou vnitřní membránovou síť jako moderní eukaryoty, ale prokaryoty mohly ze své vnější membrány produkovat extracelulární váčky. [38] Poté, co byl časný prokaryot spotřebován proto-eukaryotem, prokaryot by nadále produkoval váčky, které se hromadí v buňce. [38] Interakce vnitřních složek vezikul mohla vést k tvorbě endoplazmatického retikula a přispět ke vzniku Golgiho aparátu. [38]

Plastomy a mitogenomy Upravit

Třetím a posledním možným osudem endosymbiontových genů je, že zůstávají v organelách. Plastidy a mitochondrie, přestože ztratily velkou část genomů, si uchovávají geny kódující rRNA, tRNA, proteiny zapojené do redoxních reakcí a proteiny potřebné pro transkripci, translaci a replikaci. [23] [24] [27] Existuje mnoho hypotéz, které vysvětlují, proč si organely uchovávají malou část svého genomu, nicméně žádná hypotéza se nebude vztahovat na všechny organismy [27] a téma je stále dosti kontroverzní. [23] Hypotéza hydrofobicity uvádí, že vysoce hydrofobní proteiny (které nenávidí vodu) (jako jsou proteiny vázané na membránu zapojené do redoxních reakcí) nejsou snadno transportovatelné přes cytosol, a proto tyto proteiny musí být kódovány ve svých příslušných organelách. [23] [27] Hypotéza disparity kódu uvádí, že limit přenosu je způsoben odlišnými genetickými kódy a úpravou RNA mezi organelou a jádrem. [27] Redoxní kontrolní hypotéza uvádí, že geny kódující redoxní reakční proteiny jsou zachovány, aby se účinně spojila potřeba opravy a syntézy těchto proteinů. [23] [24] [27] Pokud je například jeden z fotosystémů ztracen z plastidu, meziproduktové nosiče elektronů mohou ztratit nebo získat příliš mnoho elektronů, což signalizuje nutnost opravy fotosystému. [24] Časová prodleva zapojená do signalizace jádra a transportu cytosolového proteinu do organely má za následek produkci škodlivých reaktivních forem kyslíku. [23] [24] [27] Závěrečná hypotéza uvádí, že sestava membránových proteinů, zejména těch, které se podílejí na redoxních reakcích, vyžaduje koordinovanou syntézu a sestavení podjednotek, translace a koordinace transportu proteinu je však v cytoplazmě obtížněji kontrolovatelná. [27]

Non-fotosyntetické plastidové genomy Upravit

Většina genů v mitochondriích a plastidech souvisí s expresí (transkripcí, translací a replikací) genů kódujících proteiny zapojené buď do fotosyntézy (v plastidech) nebo buněčného dýchání (v mitochondriích). [23] [24] [27] Dalo by se předpovědět, že ztráta fotosyntézy nebo buněčného dýchání by umožnila úplnou ztrátu plastidového genomu nebo mitochondriálního genomu. [27] I když existuje řada příkladů mitochondriálních potomků (mitosomů a hydrogenosomů), kteří ztratili celý svůj organelární genom, [47] nefotosyntetické plastidy mají tendenci zachovat si malý genom. [27] K vysvětlení této události existují dvě hlavní hypotézy:

Základní hypotéza tRNA poznamenává, že nebyly zdokumentovány žádné funkční genové přenosy plastidů na jádro genů kódujících produkty RNA (tRNA a rRNA). V důsledku toho musí plastidy vyrábět vlastní funkční RNA nebo dovážet jaderné protějšky. Geny kódující tRNA-Glu a tRNA-fmet se však zdají být nepostradatelné. Plastid je zodpovědný za biosyntézu hem, která vyžaduje jako prekurzorovou molekulu tRNA-Glu kódovanou plastidem (z genu trnE). Stejně jako ostatní geny kódující RNA nelze trnE přenést do jádra. Kromě toho je nepravděpodobné, že by trnE mohl být nahrazen cytosolovou tRNA-Glu, protože trnE je vysoce konzervativní změny jedné báze v trnE vedly ke ztrátě syntézy hem. Gen pro tRNA-formylmethionin (tRNA-fmet) je také kódován v plastidovém genomu a je nezbytný pro iniciaci translace jak v plastidech, tak v mitochondriích. K pokračování exprese genu pro tRNA-fmet je zapotřebí plastid, pokud mitochondrie překládá proteiny. [27]

Hypotéza omezeného okna nabízí obecnější vysvětlení retence genů v nefotosyntetických plastidech. [48] ​​Podle hypotézy hromadného toku jsou geny přeneseny do jádra po narušení organel. [28] V počátečních stádiích endosymbiózy byla porucha běžná, nicméně jakmile hostitelská buňka získala kontrolu nad dělením organel, eukaryoty se mohly vyvinout tak, aby měly pouze jeden plastid na buňku. Mít pouze jeden plastid výrazně omezuje přenos genů [27], protože lýza jednoho plastidu by pravděpodobně vedla k buněčné smrti. [27] [48] V souladu s touto hypotézou organismy s více plastidy vykazují 80násobné zvýšení přenosu genů z plastidu na jádro ve srovnání s organismy s jednotlivými plastidy. [48]

Existuje mnoho důkazů, že mitochondrie a plastidy včetně chloroplastů pocházejí z bakterií. [49] [50] [51] [52] [53]


Podívejte se na video: РИТУАЛ ОБРАТКА ВРАГАМ, СОПЕРНИКАМ, ЗАВИСТНИКАМ. СНЯТИЕ ВЕНЦА БЕЗБРАЧИЯ И БЫСТРО ВЫЙТИ ЗАМУЖ. (Listopad 2021).