Candidatus Carsonella ruddii — endosimbiontė su mažiausiu bakterijų genomu
Candidatus Carsonella ruddii — endosimbiontė su mažiausiu žinomu bakterijų genomu: genetinis minimalizmas psilidų bakteriozomose ir organelės evoliucijos užuomazga.
Candidatus Carsonella ruddii yra endosimbiotinė gama proteobakterija. Jos genomas yra mažiausias iš visų žinomų bakterijų.
Ši rūšis yra endosimbiontas, esantis visose floemos sultimis mintančių vabzdžių, vadinamų psilidais, rūšyse. Endosimbiontas aptinkamas specializuotoje struktūroje, vadinamoje bakterioma.
2006 m. buvo ištirtas vienos Ca. C. ruddi genomą nustatė RIKEN (Japonija) ir Arizonos universitetas. Genomą sudaro apskrita chromosoma, kurią sudaro 159 662 bazių poros, ir jis pasižymi dideliu kodavimo tankiu (97 %), daug persidengiančių genų ir sumažintu genų ilgiu. Numatytų genų skaičius buvo 182, taip pat mažiausias užfiksuotas (NCBI-Genome). Atrodo, kad trūksta daugybės genų, laikomų gyvybiškai svarbiais, o tai leidžia manyti, kad rūšis galėjo pasiekti organelės statusą.
Palyginimui, Mycoplasma genitalium, kurios genomas yra mažiausias iš visų laisvai gyvenančių organizmų, genomą sudaro 521 genas.
Genomo ypatumai
Carsonella ruddii genomas yra neįprastai mažas ir kompaktiškas. Jis turi labai aukštą kodavimo tankį — daugiausia sritis chromosomoje užima proteinus koduojantys regionai, genai dažnai persidengia ir yra sutrumpinti palyginti su jų homologais laisvai gyvenančiose bakterijose. Dėl to genomą sudaro vos keli šimtai genų, o daugelis įprastų metabolinių kelių yra praradę dalį arba visą reikalingą genetinį repertuarą.
Dažnai šios rūšies genai susitelkę aplink ribosomines funkcijas, DNR replikaciją, transkripciją ir bazinę amino rūgščių sintezę ar transportą — t. y. tas funkcijas, be kurių simbiotas negali išgyventi savo šeimininko ląstelėje. Tačiau dėl reikšmingo genų praradimo Carsonella smarkiai remiasi šeimininko ląstele ir kitais sinbiotiniais mikroorganizmais, kad gautų būtinus metabolitus.
Biologija ir santykiai su šeimininku
Carsonella ruddii gyvena specializuotose vertikalios perdavimo ląstelėse — bakteriomuose (bacteriocytes), kurių yra psilidų organizme. Simbiotas perduodamas iš motinos palikuonims (vertical transmission), todėl simbiotinė linija evoliucionuoja kartu su savo vabzdžių šeimininkais. Dėl tokio ilgalaikio, glaudaus ryšio vyksta bendras filogenetinis vystymasis ir glaudus genetinis priklausomumas.
Floemos sultys, kuriomis minta psilidai, yra energijos turtingos, bet maistingųjų medžiagų, ypač tam tikrų aminorūgščių ir vitaminų, turi mažai. Manoma, kad Carsonella papildomai gamina kai kurias būtinas aminorūgštis ar kitus metabolitus, kurios padeda šeimininkui kompensuoti vienpusę mitybą. Kai kuriose psilidų rūšyse kartu su Carsonella aptinkami ir kiti endosimbiontai — tai gali sudaryti kompleksišką simbiotinę bendruomenę, kurioje funkcijos pasiskirsto tarp kelių mikroorganizmų.
Evoliucinė reikšmė ir organelės hipotezė
- Genetinė redukcija: ilgalaikė gyvenimo partnerystė ir nuolatinis vertikalus perdavimas skatina genomo mažėjimą dėl mutacijų kaupimosi ir genetinių išsiskyrimų (Mullerio ragas), taip pat dėl nereikalingų genų praradimo, kai šeimininkas perima tam tikras funkcijas.
- Organelės link: dėl plataus genų praradimo ir priklausomybės nuo šeimininko kyla klausimas, ar tokie endosimbiontai gali laikui bėgant virsti organelėmis. Tai reikalautų darrimo, kai daugelis simbioto genų galėtų būti perkelti į šeimininko genomą arba funkcijos visiškai integruotųsi į šeimininko ląstelės mechanizmus. Šiai hipotezei yra argumentų, bet galutiniai įrodymai, kad Carsonella jau tapo organele, kol kas nėra vienareikšmiški.
Mokslinė svarba
Carsonella ruddii yra svarbi kaip modelis tiriant minimalų genomo dydį ir endosimbiozės mechanizmus. Jo tyrimai padeda suprasti:
- kaip vystosi ir palaikomi obligatiniai simbiotiniai santykiai,
- kokios genetinės ir biocheminės funkcijos yra būtinos mikroorganizmams išlikti šeimininko terpėje,
- kokios yra ribos tarp bakterijos ir organelės statuso bei kaip gali vykti simbiotinės funkcijos integracija į eukariotinį šeimininką.
Kada ir kaip atrasta
Terminas Candidatus nurodo, kad organizmas nėra išskirtas laboratorinėje kultūroje ir jo aprašymas remiasi genominiais ar kitais molekuliniais duomenimis. Candidatus Carsonella ruddii buvo aprašyta 2000-ųjų pradžioje kaip obligatinis psilidų endosimbiontas; detalaus genominio pobūdžio tyrimo rezultatai buvo paskelbti 2006 m., kai RIKEN (Japonija) ir Arizonos universitetas išsekvenavo vienos Carsonella genochromosomą.
Išvados
Carsonella ruddii išlieka vienu ekstremaliausių genomo supaprastinimo pavyzdžių gamtoje. Jos tyrimas suteikia vertingų žinių apie simbiozės evoliuciją, minimalų gyvybės genominį repertuarą ir galimus žingsnius link organelių kilmės eukariotų ląstelėse.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Candidatus Carsonella ruddii?
A: Candidatus Carsonella ruddii yra endosimbiotinė gama proteobakterija, kurios yra visose floemos sultimis mintančių vabzdžių, vadinamų psiliais, rūšyse.
K: Kokio dydžio yra Candidatus Carsonella ruddii genomas?
A: Candidatus Carsonella ruddii genomas yra mažiausias iš visų žinomų bakterijų genomų - tai apskritiminė chromosoma, kurią sudaro 159 662 bazių poros.
K: Kiek genų numatoma turėti Candidatus Carsonella ruddii bakterijoje?
A: Candidatus Carsonella ruddii turi 182 numatytus genus, t. y. mažiausiai iš visų užregistruotų genų (NCBI-Genome).
K: Koks yra Candidatus Carsonella ruddii genomo kodavimo tankis?
A: Candidatus Carsonella ruddii genomo kodavimo tankis yra didelis - 97 %.
K: Kas yra bakteriomas?
A: Bakteriomas yra specializuota struktūra, kurioje randami Candidatus Carsonella ruddii endosimbiontai.
K: Ko trūksta Candidatus Carsonella ruddii genome?
A: Atrodo, kad Candidatus Carsonella ruddii genome trūksta daugelio gyvybei būtinų genų, o tai rodo, kad ši rūšis galėjo įgyti organelės statusą.
K: Kaip Candidatus Carsonella ruddii genomas skiriasi nuo Mycoplasma genitalium genomo?
A: Mycoplasma genitalium, kurios genomas yra mažiausias iš visų laisvai gyvenančių organizmų, genomas turi 521 geną, t. y. gerokai daugiau nei Candidatus Carsonella ruddii numatomų genų.
Ieškoti