Систематическое положение группы Microsporidia

Размещено на http://www.allbest.ru/

Систематическое положение группы Microsporidia

В конце XX века в специализированной литературе можно было найти данную группу в составе паразитических протист неясного систематического положения (так как до появления молекулярных методов анализа существовал таксон Fungi, как правило, относимый к Plantae, так же как и Bacteria и Archaea, лишь позже появился отдельный класс Protista). Долгое время предполагалось, что Microsporea являются наиболее примитивными эукариотами, поскольку для них характерны такие примитивные (плезиоморфные) признаки, как 70S рибосомы (с 16S и 23 S рРНК), и некоторые другие прокариотные черты. Жгутики, центриоли и настоящие, содержащие более трех цистерн, диктиосомы также отсутствуют [1].

Гипотеза Archezoa (утверждающая, что данный таксон более древний, чем грибы и простисты) была основана на отсутствии митохондрий в исследованиях методами микроскопии. Однако позднее были обнаружены следы митохондрий - пируват-дегидрогеназный комплекс и HSP70; тельца, которые удалось получить, индуцируя экспрессию соответствующих ядерных генов, называют митосомами, некоторые маркерные белки были обнаружены в цитозоле [2]. Также отсутствие копий генов, кодирующих рибосомальные типы РНК, что свойственно для прокариот, но не для эукариот, сбивало с толку. Затем в связи с развитием токсикологии и паразитологии интерес к Microsporidia возрос и чаще стали обращаться к их протеому и геному, однако проблема их классификации стала более очевидной. В начале 2000-х полноценный обзор показал довольно близкое родство с грибами, была обнаружена консенсусная последовательность, присутствующая только у грибов, животных и архей, был проведен анализ более 20 последовательностей аминокислот.

Это очень мелкие одноклеточные организмы без жгутиков. Диаметр спор варьируется от 1 до немногим более 20 мкм. Все без исключения микроспоридии -- внутриклеточные паразиты. Обычно их трофонты свободно лежат в цитоплазме клетки хозяина, но иногда -- внутри паразитофорной вакуоли. Всего известно 1200 видов в составе 144 родов. В состав хозяев микроспоридий входят как одноклеточные организмы (Apicomplexa, Ciliophora), так и многоклеточные (миксоспоридии, книдарии, плоские черви, нематоды, мшанки, кольчатые черви, моллюски, членистоногие и позвоночные). В наибольшей мере микроспоридии освоили членистоногих и костных рыб. Среди млекопитающих они поражают преимущественно грызунов, хищников и некоторых приматов.

Микроспоридии имеют самый маленький из всех известных ядерный геном, однако плотность генов очень высока [1].

Все представители данной группы попадают в клетку сходным образом - используют характерные структуры - поляропласт, спиральную нить, заднюю вакуоль.

Таким образом, данный анализ проводился с целью попытаться установить систематическое положение Microsporidia, а также поиск гомологов белков-маркеров вышеуказанных структур, что может ускорить процесс создания лекарств против микроспоридиозов.

Белковые последовательности были получены из базы данных UniProt [3], нуклеотидные последовательности из базы данных EBBL [4]. Мы подбирали последовательности схожей длины, пользуясь алгоритмом поиска гомологов BLAST, а также отбирали вручную. При создании выравниваний использовались средства JalView (алгоритм Muscle для белков и Mafft для нуклеотидных последовательностей) и MEGA6, которая также применялась для построения деревьев методом Neighbor-joining. Для визуализации структур применялись программы PyMol и Jmol.

Анализировались следующие белки:

1. Гистоны H2A

2. ДНК-полимераза

3. ДНК-зависимая РНК-полимераза

4. ГТФаза

5. Глицинил-тРНК-синтетаза

6. EF-1-alpha

7. TF IIB

Данная выборка не случайна: здесь отображены наиболее консервативные белки. Далее приведем анализ каждого филогенетического древа по всем белкам выбранных представителей.

1. УСТАНОВЛЕНИЕ РОДСТВА МЕТОДОМ ПОСТРОЕНИЯ ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКИХ ДЕРЕВЬЕВ

Гистон H2A

· Microsporidia - базальная ветвь по отношению к грибам, Metazoa, паразитическим протистам.

· Наиболее близко располагаются к к микроспоридиям Myxomycota.

· Внутри Metazoa наблюдаются разные тенденции.

Рис. 1 - Реконструкция филогенетического древа по гистону Н2А. Fungi: Puccinia striiformis f. sp. Tritici, Piriformospora indica, Serpula lacrymans var. lacrymans; Metazoa: Xenopus laevis, Homo sapiens, Caenorhabditis japonica; Placozoa: Trichoplax adhaerens; Excavata: Histomonas meleagridis; Alveolata: Paramecium tetraurelia; Myxomycota: Dictyostelium discoideum; Archaea: Methanocaldococcus jannaschii; Microsporidia: Encephalitozoon cuniculi

ДНК-полимераза E

· Как можно видеть из древа, ветвь микроспоридий базальна по отношению к Fungi и Archaeplastida, но все же с Fungi последовательность более схожа, чем с ветвью

· Полимеразы “высших” и “низших” растений отличаются в большей степени друг от друга, чем те же белки аскомицетов и базидиомицетов.

· Также можно заметить, что ДНК-полимеразы типа архей и микроспоридий наиболее схожи.

Рис. 2 - Реконструкция филогенетического древа по ДНК-полимеразе. Fungi: Ustilago hordei, Mucor ambiguus, Rhizopus microsporus; Metazoa: Homo sapiens, Schistosoma mansoni; Viridiplantae: Arabidopsis thaliana, Volvox carteri f. nagariensis, Chlamydomonas reinhardtii; Archaea: Haloquadratum walsbyi; Microsporidia: Nematocida sp

Глицинил-тРНК-синтетаза (далее - ГТРС)

· ГТРС грибов и растений имеют общего предка.

· Parabasalia и Archaea сестринские группы, отстоящие от Microspotidia.

· Микроспоридии - базальная ветвь по отношению к грибам и растениям.

Рис. 3 - Реконструкция филогенетического древа по глицинил-тРНК-синтетазе. Fungi: Schizosaccharomyces pombe, Talaromyces marneffei; Parabasalia: Giardia intestinalis, Trepomonas sp.; Viridiplantae: Solanum lycopersicum, Liriodendron tulipifera; Archaea: Methanopyrus kandleri; Microsporidia: Encephalitozoon cuniculi

ДНК-зависимая РНК-полимераза

· Микроспоридии - базальная ветвь по отношению к Fungi, Diplomonadida, Metazoa.

· Микроспоридии и Viridiplantae не имеют общего предка и принадлежат разным эволюционным линиям.

· Diplomonadida - базальная ветвь по отношению к Metazoa и Fungi.

· Микроспоридии наиболее близки к Diplomonadida.

ГТФазы

· Микроспоридии - базальная ветвь по отношению к Fungi,Viridiplantae, Metazoa.

· Diplomonadida - базальная ветвь по отношению к микроспоридиям.

· Микроспоридии наиболее близки к грибам и метазоем - базальная ветвь по отношению к Metazoa и Fungi.

Микроспоридии наиболее близки к Diplomonadida

Рис. 4 - Реконструкция филогенетического древа по ДНК-зависимой РНК-полимеразе. Fungi: Schizosaccharomyces pombe, Talaromyces marneffei; Parabasalia: Giardia intestinalis, Trepomonas sp.; Viridiplantae: Solanum lycopersicum, Liriodendron tulipifera; Archaea: Methanopyrus kandleri; Microsporidia: Encephalitozoon cuniculi

Рис. 5 - Реконструкция филогенетического древа по ГТФазе. Fungi: Puccinia graminis f. sp. Tritici; Parabasalia: Giardia intestinalis; Viridiplantae: Solanum lycopersicum, Liriodendron tulipifera; Archaea: Lokiarchaeum sp.; Microsporidia: Pseudoloma neurophili; Diplomonadida: Trichomonas vaginalis; Metazoa: Danio rerio, Homo sapiens; Heterolobosea: Naegleria gruberi, Entamoeba histolytica

TF-II

· Микроспоридии относятся к одному ответвлению с Fungi.

· Parabasalia базальны по отношению к другим рассматриваемым таксонам.

· Ветвь, включающая грибы и микроспоридии, отстоит далеко от ветви, включающей растения и метазои .

· Parabasalia не являются сестринским таксоном, парафилетической группой, полифилетической группой, базальной группой по отношению с грибам и микроспоридиям.

Рис. 6 - Реконструкция филогенетического древа по TF-II. Fungi: Mucor ambiguous, Rhizopus microsporus; Parabasalia: Giardia intestinalis; Viridiplantae: Glycine max, Arabidopsis thaliana; Archaea: Pyrococcus woesei, Haloferax volcanii; Microsporidia: Encephalitozoon cuniculi; Metazoa: Danio rerio, Homo sapiens

2. УСТАНОВЛЕНИЕ РОДСТВА С УЧЕТОМ КОНСЕНСУСНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

Было высказано предположение, что некая последовательность из 10 нуклеотидов является характерной для грибов, метазоев и микроспоридий.

Сначала зафиксируем наличие или отсутствие последовательности среди организмов выбранных групп.

EF-1-alpha

· Между положениями 210 и 219 у грибов, метазоев и микроспоридий зажата консенсусная последовательность, отсутствующая у растений и архей.

· Наиболее консервативные позиции - 211, 212, 219.

· Parabasalia имеет глицин в 219 позиции

Рис. 7 - Фрагмент выравнивания ef-1-alpha, где выделена предполагаемая консервативная последовательность. Подборка организмов с помощью BLAST

Затем проверим, встречается ли данная последовательность в других таксонах:

· Между положениями 216 и 229 у грибов, метазоев и микроспоридий зажата консенсусная последовательность.

· У Myxomycota, Parabasalia, Diplomonadida, Archaea, Bacteria, Viridiplantae отсутствует эта последовательность.

· Наблюдается вариабельность в последних трех остатках.

Рис. 8 - Фрагмент расширенного выравнивания ef-1-alpha, где выделена предполагаемая консервативная последовательность. Подборка организмов с помощью BLAST.

3. УСТАНОВЛЕНИЕ РОДСТВА С УЧЕТОМ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛА

Рис. 9 - Структура кристалла ef-1-alpha человека (2), где выделена предполагаемая консервативная последовательность (1). Окраска по вторичной структуре. PDB 1SYW. Показано в Jmol, PyMol

Рис. 10 - Структура кристалла ef-1-alpha Sulfolobus solfataricus (2), где выделен регион с отсутствующей консервативной последовательностью (1). Окраска по вторичной структуре. PDB 1JNY. Показано в Jmol, PyMol

Различия в структурах:

· У растений вторичная структура представлена более чем одним доменом.

· У архей и растений характерные остатки (K, Y), предшествующие последовательности, заменены на иные

· У архей и грибов 2 цепи, у метазоев и растений - 1.

· У грибов структура представлена более чем 1 доменом.

Рис. 11 - Структура кристалла ef-1-alpha Saccharomyces cerevisiae (1) и модель структуры ef-1-alpha Zea mays (2). Окраска по вторичной структуре. PDB 1F60, Protein Model Portal, Q41803. Показано в PyMol

Безусловно, большинство приведенных результатов (за исключением РНК-полимеразы) свидетельствуют о родстве с Fungi. Однако обсудим сначала несогласующиеся результаты.

Данные по гистонам показывают близкое родство с Myxomycota, относимыми ранее к грибоподобным организмам.

С одной стороны, можно найти на первый взгляд противоречивые данные о вхождении в единый парафилетический таксон с археями (ДНК-полимераза, данные о структурах ef-1-alpha).

Также сбивает с толку вхождение в парафилетический таксон с Diplomonadida по ГТФазе и РНК-полимеразе.

Проливают свет на эти моменты данные по выравниванию белков TF-II (и соответствующее древо) и поиску организмов, EF-1-alpha которых содержит консенсус. В первом случае очевидно вхождение в один монофилетический таксон с Fungi (родство с Ascomycota и Zygomycota), с учетом высокой консервативности этого белка. Возможное родство со слизевиками опровергает отсутствие у них в EF-1-alpha консенсусной последовательности, характерной лишь для грибов и метазоев. Наличие 2 цепей EF-1-alpha у грибов (значительно меньше) и архей и наличие лишь 1 у метазоев может свидетельствовать о существовании архаичных черт, присущих грибам или являться результатом случайного сходства, установление чего не входило в рамки исследования.

Таким образом, этим можно объяснить сходство некоторых белковых последовательностей микроспоридий, грибов, парабазалий и дипломонад. Кроме того, быстрая эволюция паразитических протист и микроспоридий внесла определенный вклад в картину понимания.

ЛИТЕРАТУРА

белок microsporodia лекарство инфекция

1. Hausman K., Hjul'sman H., Radek R. Protistologija: Rukovodstvo Pod red. S.A. Korsuna. Per. s angl. S.A. Karpova. -- M.: Tovarishhestvo nauchnyh izdanij KMK, 2010. -- 495 s

2. Lynne S. Garcia Laboratory Identification of the Microsporidia// Journal of Clinical Microbiology- June 2002 - vol. 40 no. 6 - 1892-1901

3. UniProt Database [Электронный ресурс] URL: http://www.uniprot.org/ (дата обращения 21.06.2016).

4. The European Bioinformatics Institute [Электронный ресурс] URL: http://www.ebi.ac.uk/ (дата обращения 19.06.2016).

Размещено на Allbest.ru