Морская инфузория, вызывающая красные приливы, — метаболический паразит

Многие эукариоты приобретают метаболические возможности других видов, чтобы удовлетворить собственные потребности. Яркими примерами служит эндосимбиоз кораллов с водорослями-динофлагеллятами или ночесветок (динофлагеллят рода Noctiluca) c одноклеточной зеленой водорослью Pedinomonas noctilucae, которая поселяется в вакуолях хозяина. Другой механизм — клептопластия, то есть сохранение чужих функциональных хлоропластов. К ней способны, например, моллюск Elysia chlorotica и морская инфузория Mesodinium rubrum, о которой и пойдет речь — авторы статьи в Science Advances проанализировали, как интеграция «украденного» механизма влияет на геном клетки-хозяина и на регуляцию метаболизма.

Инфузории рода Mesodinium различаются по типу питания — от полной гетеротрофности до почти полного перехода на фотосинтез за счет клептопластид. Исследователисравнили гетеротрофную M. pulex, которая переваривает добычу сразу после поглощения, миксотрофный M. chamaeleon, которая забирает органеллы у криптофитовых водорослей, и почти перешедшую на фотосинтез M. rubrum. Они обнаружили закономерность: чем более инфузория способна фотосинтезировать, тем меньше добычи она поглощает, и тем выше сохранность «украденных» пластид и контроль над ними.

У M. rubrum интеграция клептопластид достигла исключительного уровня: эта инфузория контролирует их деление и способна так быстро расти за счет фотосинтеза, что приводит к образованию так называемых «красных приливов».

Анализ данных секвенирования РНК всех трех видов показал, что разнообразие белков снижается параллельно с переходом к клептопластии — у M. rubrum оно было наименьшим. В первую очередь снижалось количество метаболических белков.

Ученые предположили, что доступ к полностью синтезированным метаболитам, которые синтезировались в клептопластидах, привел к утрате ключевых метаболических белков. У M. rubrum сокращение их числа наблюдалось во всех подкатегориях метаболизма, за исключением энергетического метаболизма и биосинтеза гликозидов. Сокращение количества белков, вероятно, приводило и к снижению активности соответствующих путей метаболизма.

Наибольшие изменения наблюдались в метаболизме аминокислот — из 18 метаболических путей, которые было технически возможно проанализировать (т. е. минимум с тремя уникальными белками), у M. rubrum наблюдался дефицит в 14-ти. По-видимому, при переходе на клептопластию инфузория утратила способность синтезировать изолейцин, лейцин, орнитин, тирозин и валин, которую сохранил ее гетеротрофный родственник M. pulex. В промежуточном варианте метаболизма — у M. chamaeleon — компоненты синтеза этих аминокислот также терялись.

Геномный анализ M. rubrum подтвердил, что для многих белков, не обнаруженных в транскриптоме, отсутствуют и кодирующие их гены.

Также у M. rubrum отсутствовали белки, связанные с пероксисомами, и некоторые компоненты метаболизма жирных кислот. На криптофитах, пластиды которых «крадет» эта инфузория, было показано, что пероксисомы играют важную роль в метаболизме углеводов, эфирных фосфолипидов, нуклеотидов, витамина К, активных форм кислорода и аминокислот и аминов.

Несмотря на утрату ряда ключевых метаболических путей, M. rubrum способна к быстрому и активному росту при достаточно ограниченном поглощении добычи. Компенсаторная экспрессия нужных белков происходит за счет клептокариона — транскрипционно активного ядра поглощенных криптофитов.

Авторы приходят к выводу, многократное приобретение не только пластид, но и ядер поглощенных жертв могло привести к постепенной потере метаболической независимости. По паттерну экспрессии генов M. rubrum больше напоминает эндопаразита, чем свободноживущую инфузорию.