Parasites go the full monty
[introduzione discorsiva a: Genome sequence and gene compaction of the eukaryote parasite Encephalitozoon cuniculi]
Patrick J. Keeling
Il metabolismo dell' energia è una funzione essenziale della vita. Un parassita ingegnoso con un genoma "minimalista" ha scartato gran parte del suo metabolismo, sviluppando un'alternativa singolare nel processo.
I parassiti sono ben noti
per mettersi a nudo fino agli elementi essenziali, ma quanto lontano possono
andare? I Microsporidia sono un gruppo di parassiti unicellulari che hanno
portato all'estremo il processo di denudamento, and gone the 'full monty'.
Alla pagina 450 di questo numero di Nature (1) [clicca
qui], Katinka e colleghi espongono l'estensione sconvolgente di questo
striptease nella sequenza completa del genoma del microsporidian Encephalitozoon
cuniculi, che parassita una gamma estesa di mammiferi, tra cui gli esseri
umani. Questo genoma è una mera ombra di quelli riscontrati in altri
eukaryotes (organismi con cellule a nucleo), poiché è
formato solo da 2.9 milioni di coppie di basi, vale a dire meno dello 0,1%
del genoma umano. Questo è anche meno esteso del genoma di molti batteri.
Nondimeno, il genoma è un tesoro di informazioni sulle potenti forze
riduttive che formano questi insoliti parassiti.
Da qualsiasi punto di vista, i microsporidia sono strani; possono sopravvivere
solo se vivono all'interno di altre cellule. Il loro modo di invadere una
cellula ospite allarma, effettivamente. Le spore dei Microsporidia contengono
un lungo tubo avvolto che può essere estruso dalla spora attraverso
un processo somigliante al veloce movimento di un tubo da giardino che si
svolga invaso dall'acqua.
Se questo proiettile colpisce una cellula vicina, i contenuti della spora
sono forzati attraverso il tubo all'interno della cellula (2). Questa combinazione
di arpione e ago ipodermico, azionato da una forza fisica incredibile che
richiede una ginnastica cellulare apparentemente impossibile, è uno
dei meccanismi di infezione più sofisticati nella biologia.
A parte le strutture necessarie per usare questa macchina notevole e un nucleo
per alloggiare il DNA, le spore dei microsporidia sono elegantemente spartane.
Sembra che mentre stavano affilando la loro abilità di infettare le
altre cellule, abbiano anche abbandonato molte caratteristiche delle cellule
eukariote, considerate essenziali dai biologi. La sequenza del genoma di E.
cuniculi riflette questa riduzione a molti livelli. Sono mancanti i geni
per una varietà di processi cellulari e molti pathways metabolici.
Inoltre, i restanti geni sono completamente "packed", con poco "junk"
DNA tra loro. Molto sorprendentemente, però, i geni stessi sono notevolmente
più brevi delle loro controparti in altri organismi.
Il severo reductionism dei microsporidia, insieme alla loro specializzazione
sorprendente, ha cancellato quasi la registrazione genetica della loro storia
evolutiva, che rende difficile determinare come essi abbiano avuto origine.
La loro semplicità, specialmente la mancanza di mitochondria (i powerhouses
che convertono zucchero in energia nelle cellule), ha dato origine all'idea
irresistibile che i microsporidia potrebbere essere un eukariota primitivo
sviluppatosi prima dell'acquisizione di mitochondria (3). Gli alberi evolutivi
originari hanno prestato sostegno al concetto, ma i dati molecolari recenti
suggeriscono che questa ipotesi debba essere riconsiderata. Per prima cosa
i geni derivati dai mitochondria sono stati rinvenuti nei microsporidia, mostrando
che i loro ancestors sono dotati di mitochondria. In secondo luogo,
ciò che è evidenziato dagli schemi evolutivi indica come funghi
molto evoluti i microsporidia, piuttosto che non come antichi eukarioti. Il
genoma dovrebbe porre termine a questa discussione, fornendo un numero enorme
di nuovi geni con i quali esaminare le origini dei microsporidia. Infatti,
Katinka e colleghi hanno già identificato numerosi geni che fortemente
sostengono un'origine fungale per questi parassiti. Così, caratteristiche
precedentemente considerate primitive potrebbero ora essere viste come recenti
adattamenti.
Tuttavia, la mancanza evidente di mitochondria nei microsporidia è
ancora di grande interesse. Se i mitochondria sono il punto focale del metabolismo
dell'energia nella maggior parte delle cellule nucleate, come generano i microsporidia
energia senza di essi? Finora, se ne è avuta un'idea molto imprecisa
e limitata.
Ma Katinka e colleghi utilizzano la sequenza del genoma per ricostruire il
metabolismo del nucleo del parassita, con risultati sorprendenti.
Da altri organismi, si sa che il metabolismo dell'energia del nucleo può
essere tenuto insieme in modi leggermente variati, in funzione di come i mitochondria
degenerano o sono persi, ma tutte queste variazioni condividono adattamenti
simili. I microsporidia, tuttavia, hanno inventato un sistema unico di metabolismo
dell'energia del nucleo. Essi utilizzano parti dei typical mitochondrial
metabolic pathways, mescolate con pathways trovati in altri organismi
che sono privi di mitochondria, portando a un sistema che è fondamentalmente
diverso dagli altri. In particolare, i microsporidia sono privi di pyruvate:ferredoxin
oxidoreductase, un enzima chiave in altri organismi che manca di mitochondria,
un comune target per i farmaci antiparassitari, e usano mitochondrial pyruvate
dehydrogenase al suo posto.
Ancora una volta, vediamo l'immagine di François Jacob dell'evoluzione
come un assemblatore, che usa pezzi di una esistente macchina per costruirne
una completamente nuova; in questo caso, qualcosa di centrale per la vita
come una nuova forma di energia metabolica.
Il numero di geni per gli enzimi mitochondriali metabolici presenti nel genoma
è di per sé di estremo interesse e solleva una questione: i
microsporidia hanno realmente eliminato il loro mitochondrion o non sono semplicemente
riusciti a riconoscerlo? Questa discussione si complica con il sequencing
del genoma, poiché non è assolutamente chiaro dai soli geni
se questi enzimi operano in un mitochondrion o se essi sono stati riposizionati
nel cytoplasma. C'è la prova credibile dei due casi; la sequenza dei
geni si limita a sollevare il problema. Le risposte aspettano la localizzazione
degli enzimi all'interno della cellula.
Benché possa sembrare perverso, i parassiti sono la forma probabilmente
più comune e più varia di vita sulla terra oggi. Ancora noi
sappiamo poco della loro origine, del loro modo di evolvere e in alcuni casi
anche di ciò che essi sono. La sequenza del genoma di E. cuniculi
è un passo importante verso la risposta a queste domande per i
microsporidia. Le sequenze dei genoma di Plasmodium, Cryptosporidium, Toxoplasma,
Entamoeba, Trypanosoma, Giardia e altri porteranno all'avvento di una
genetica comparativa. Questo è un momento di grande interesse per la
parassitologia, e se E. cuniculi è un araldo veritiero, molte
'regole' verranno messe in discussione e superate.
Patrick J. Keeling is
at the Canadian Institute for Advanced Research, Department of Botany, University
of British Columbia, 3529-6270 University Boulevard, Vancouver, British Columbia,
V6T 1Z4, Canada.
e-mail: pkeeling@interchange.ubc.ca
1. Katinka, M.
D. et al. Nature 414, 450-453 (2001).
2. Vavra, J. & Larrson, J. I. R. in The Microsporidia and Microsporidiosis
(eds Wittner, M. & Weiss, L. M.) 7-84 (ASM, Washingon, 1999).
3. Cavalier-Smith, T. Nature 326, 332-333 (1987).
da NATURE ‡ VOL 414 ‡ 22 NOVEMBER 2001 ‡ www.nature.com