Nanoarheote

Nanoarheote
clasificare stiintifica
Domeniu:ArchaeaTip de:Nanoarheote
Denumire științifică internațională
Nanoarchaeota Huber și colab. 2002
Sistematică la Wikispecies Imagini la Wikimedia Commons NCBI   192989 EOL   10554128

Nanoarchaeotes [1] ( lat.  Nanoarchaeota ) este un tip de arhee izolat în 2002. De ceva timp, singura specie inclusă în acest filum a fost Nanoarchaeum equitans . Reprezentanții săi se pot dezvolta numai în co-cultura cu arheile chemolitoautotrofe ale uneia dintre speciile din genul Ignicoccus , care este un fenomen unic pentru arhee. De obicei, relația dintre cele două specii de archaea este considerată simbiotică , dar există și dovezi în favoarea parazitării Nanoarchaeum pe Ignicoccus . În 2013, a apărut un raport despre descoperirea unei a doua specii de nanoarheote - Nanobsidianus stetteri [2] .

Istoria studiului

În 2002, Karl Stetter , H. Huber și colegii săi au raportat descoperirea unui nou tip de arhee în probe prelevate din izvoarele termale ale Mid - Atlantic Ridge la o adâncime de aproximativ 106 m. Ignicoccus a descoperit că celulele acestor sulf - arheile autotrofe reducătoare sunt înconjurate de celule cocoide mici . Secvențierea ADN-ului izolat din aceste organisme mici a confirmat că ele aparțin domeniului archaea , iar unicitatea excepțională a genomului le-a forțat să fie separate într-un phylum separat Nanoarchaeota [3] [4] .

Noua specie de archaea a fost numită Nanoarchaeum equitans . Timp de aproximativ zece ani, N. equitans a fost considerat singurul reprezentant al filum-ului Nanoarchaeota , cu toate acestea, în 2013, s-a raportat că o altă specie de nanoarheote a fost găsită în Parcul Național Yellowstone . Inițial, noului organism i s-a dat numele de cod Nst1, ulterior i s-a dat binomenul Nanobsidianus stetteri . S-a dovedit că genomul N. stetteri diferă în multe privințe de genomul N. equitans , deși această specie a fost repartizată în grupul de nanoarheote conform rezultatelor analizei filogenetice [2] [5] [1] .

Distribuție

De la descoperirea Nanoarheotei , s-au acumulat multe dovezi că aceste arhee locuiesc într-o varietate de habitate, altele decât gurile hidrotermale marine . În timpul studiului primerilor genei ARNr 16S a N. equitans , s-a demonstrat că această specie este răspândită în izvoarele termale terestre, precum și în habitatele mezofile cu salinitate ridicată. Secvențele genei ARNr N. equitans au fost găsite și în probe de apă din zona eufotică , prelevate la o distanță considerabilă de gurile hidrotermale. Astfel, nanoarheotele pot trăi la diferite temperaturi și în medii geochimice diverse. În ciuda descoperirii recente a lui Nanobsidianus stetteri , Nanoarchaeum equitans este încă singura specie de nanoarchaeote care poate fi cultivată în cultură (împreună cu celulele Ignicoccus ) [2] .

Morfologie

Celulele nanoarhaeum sunt coci pitici obișnuiți, cu un diametru de 0,35 până la 0,5 µm , uneori cu un singur proces. Celulele sunt acoperite cu un strat proteic S de 15  nm grosime , există un spațiu periplasmatic . Volumul unei celule Nanoarchaeum este mai mic de 1% din volumul unei celule de Escherichia coli [6] .

Celulele Nanoarchaeum equitans pot fi separate fizic de celulele Ignicoccus hospitalis folosind ultrafiltrare (dimensiunea porilor filtrului de 0,45  µm ) sau pensete optice , precum și ultrasunete blânde . Când sunt crescute în co-cultură, aproape jumătate din celulele I. hospitalis sunt colonizate de N. equitans , cu cel puțin doi coci pitici atașați la fiecare dintre ei. Nu au fost găsite structuri speciale de atașare la locul contactului dintre celulele I. hospitalis și N. equitans [6] .

Celulele de Nanobsidianus stetteri nu au fost încă izolate în cultură pură. Ca și celulele N. equitans , ele sunt incapabile de existență independentă. Gazda propusă de N. stetteri este un grup special de arhee din ordinul Sulfolobales (tip Crenarchaeota ) [5] , izolat ca Acidicryptum nanophilum [2] .

Metabolism

Nanoarchaeum equitans  este un hipertermofil , un anaerob strict , care crește numai în co-cultură cu Ignicoccus hopitalis . Temperatura optimă pentru ambele organisme este de 70-98°C. Timpul de generare a N. equitans în timpul creșterii la 90 °C, pH 6,0 și trecerea a 30 L/min de gaze este de aproximativ 45 de minute, iar la sfârșitul cultivării, densitatea suspensiei de celule nanoarheale crește de 10 ori, în timp ce densitatea celulelor gazdă rămâne neschimbată. În faza târzie de creștere exponențială , aproape 80% din celulele nanoarheale se separă de celulele I. hospitalis și sunt sub forma unei suspensii libere. De remarcat că parametrii de creștere și liză ai celulelor I. hospitalis în monocultură și în cocultura cu N. equitans nu diferă. Pe baza acestui fapt, relația dintre două organisme este considerată simbiotică [7] . Cu toate acestea, există și dovezi în favoarea naturii parazitare a relației dintre I. hospitalis și N. equitans : atunci când prea multe celule N. equitans se atașează la o celulă a I. hospitalis , creșterea I. hospitalis este suprimată [8]. ] .

Mecanismele moleculare care mediază comunicarea dintre celulele I. hospitalis și N. equitans sunt neclare. Membranele ambelor organisme sunt formate din lipide simple și aproape identice (cu diferențe minore) [9] . S-a făcut o analiză a modificării proteomului I. hospitalis în timpul formării unei legături cu N. equitans . Sa dovedit că după formarea contactului cu N. equitans , expresia mai multor proteine ​​cheie implicate în producerea de energie a crescut în celulele I. hospitalis ; acest lucru pare să se datoreze consumului de energie produsă de I. hospitalis de către N. equitans . Aceasta explică, de asemenea, creșterea expresiei enzimelor metabolice cheie și a enzimelor implicate într-un număr de procese de biosinteză . În același timp, a fost observată o cantitate redusă de ARN polimerază și factori cheie de transcripție în celulele de co-cultură [10] .

Spre deosebire de gazda sa, I. hospitalis , care reduce sulful elementar cu hidrogen , genomul N. equitans nu are gene care ar putea fi responsabile pentru metabolismul chemolitoautotrofic. Cu toate acestea, codifică două enzime pentru dezaminarea oxidativă a aminoacizilor . În plus, Nanoarchaeum are mai multe proteine ​​care pot cataliza reacțiile de transfer de electroni , precum și cinci subunități ale ATP sintetazei arheale de tip A 1 A 0 . Cu toate acestea, nu este încă clar dacă N. equitans este capabil să extragă singur energia în timpul fosforilării oxidative sau dacă o primește de la gazdă [8] .

N. equitans este incapabil de a sintetiza mulți compuși celulari: aminoacizi, nucleotide , cofactori și lipide. Îi lipsesc enzimele de glicoliză și gluconeogeneză , ciclul acidului tricarboxilic și căile descrise de asimilare a carbonului . Aparent, transportă majoritatea metaboliților celulari din celulele I. hospitalis [8] .

Nanobsidianus este, de asemenea, incapabil de a sintetiza aminoacizi, nucleotide, cofactori și lipide, dar genomul său conține gene pentru toate enzimele gluconeogenezei, precum și enzimele implicate în sinteza polizaharidelor . Aparent, metabolismul carbohidraților din Nanobsidianus se realizează pe calea glicolizei clasice [5] .

Genomul

Genomul Nanoarchaeum equitans a fost secvențiat și este reprezentat de un singur cromozom circular de 490.885  de perechi de baze . Conținutul total de GC din genomul N. equitans este de 31,6%. În genom, au fost identificate 552 de secvențe de codificare, a căror lungime nu depășește 827 de perechi de baze. Nu au fost găsite elemente extracromozomiale. Genomul N. equitans este unul dintre cei mai mici genomi secvențiali ai organismelor celulare, dar se caracterizează printr-o densitate a genelor foarte mare: secvențele de codificare ocupă aproximativ 95% din întregul genom, în timp ce regiunile necodificatoare și pseudogenele sunt practic absente [11]. ] . Genomul acestei specii se distinge, de asemenea, printr-un număr mare de secvențe unice: doar 18,3% dintre secvențele de codare cu o funcție necunoscută au omologi în alte organisme, în timp ce restul par a fi unice pentru N. equitans . În plus, genele ARNr 16S poartă multe substituții chiar și la situsuri extrem de conservate care sunt utilizate în mod obișnuit ca ținte pentru primerii de reacție în lanț a polimerazei (PCR). Cu toate acestea, în ciuda structurii primare unice , structura secundară a ARNr 16S are caracteristici tipice arheilor. După cum sa menționat mai sus, genomul N. equitans îi lipsește multe proteine ​​esențiale ale metabolismului celular; este posibil să se fi pierdut în cursul adaptării la gazdă. Cu toate acestea, are un sistem de apărare CRISPR de tip IB , care este caracteristic hipertermofililor [8] [5] [12] .

În genomul Nanoarchaeum equitans , organizarea operonilor tipice procariotelor a fost pierdută și un număr neobișnuit de mare de gene sunt prezente într-o stare fragmentată. Un exemplu de astfel de scindare este prezența a două cadre de citire deschise care codifică domeniile alanil-ARNt sintetazei și girazei inverse [11] .

Fragmentarea este, de asemenea, caracteristică genelor tARN ale Nanoarchaeum equitans . El a fost primul care a descris asamblarea moleculelor de ARNt mature din două jumătăți separate, rezultând 6 molecule de ARNt izoacceptor. Genomul acestei arhei codifică 11 jumătăți de ARNt. Moleculele corespunzătoare jumătăților de ARNt au o regiune bogată în GC complementară unei secvențe găsite numai în a doua jumătate corespunzătoare. Datorită acestor secvențe, procesul de căutare și recunoaștere reciprocă de către jumătățile corespunzătoare este facilitat. ARNt-urile mature sunt formate într-o reacție neobișnuită de trans -splicing efectuată de o endonuclează heteromerică splicing [11] .

Nanoarchaeum equitans  este singurul organism cunoscut că nu are ribonucleaza P (RNase P), un complex de ribonucleoprotein omniprezent care elimină situsurile lider 5' din precursorii ARNt. Prin urmare, secvențele 5’-lider din genele ARNt au fost pierdute în genomul acestei arhei în timpul rearanjamentelor genomice [11] .

Nanoarchaeum equitans are numeroase ARN mici , dintre care ARN-urile CRISPR (crRNAs) sunt cele mai numeroase, precum și ARN-uri mici care conțin o cutie C/D. În plus, au fost descrise ARN-uri mici care conțin cutia H/ACA [11] .

Compoziția GC a Nanoarchaeum equitans este prea scăzută pentru a menține o structură a ADN-ului dublu catenar la 90°C (temperatura la care trăiește acest archaea). Prin urmare, în absența mecanismelor speciale care împiedică derularea la temperaturi ridicate, genomul său trebuie să fie un ADN monocatenar „topit” . Posibilele mecanisme care mențin structura ADN-ului sunt histonele și giraza inversă. Atât histonele, cât și giraza inversă au fost găsite în Nanoarchaeum equitans , cu toate acestea, nu este clar dacă expresia acestor proteine ​​este suficientă pentru a menține dubla helix ADN în condiții hipertermofile . Se crede că regiunile principale în care două fire de ADN ale Nanoarchaeum equitans sunt unite într-o spirală sunt gene care codifică ARN [13] . În 2015, în Nanoarchaeum equitans a fost descoperită o nouă proteină monocatenar de legare a ADN-ului, proteina asemănătoare NeqSSB . Această proteină are o mare stabilitate termică și se poate lega de acizi nucleici de toate tipurile [14] .

Nanoarchaeum equitans are două histone (NEQ288 și NEQ348), dintre care prima este foarte apropiată de histona eucariotă H3 [15] .

Genomul Nanobsidianus stetteri este cu aproape 20% mai lung decât genomul Nanoarchaeum equitans și include aproximativ 651.000 de perechi de baze, compoziția GC este de aproximativ 24%. Codifică toate enzimele necesare gluconeogenezei, nu conține sistemul CRISPR, codifică componentele RNazei P și, de asemenea, codifică un flagel similar cu cel al euriarheotelor [5] [2] .

Filogenie

Conform analizei filogenetice, Nanobsidianus stetteri  este taxonul soră al Nanoarchaeum equitans ; aceste două specii par să reprezinte două familii distincte în filum Nanoarchaeota . Dovezile experimentale și genomice sugerează că Nanoarchaeum equitans a co -evoluat cu singura sa gazdă, Ignicoccus hospitalis . Există puține în comun între gazdele lui Nanobsidianus stetteri și Nanoarchaeum equitans , dar au tendința de a simplifica genomul: genomul lui I. hospitalis  este cel mai mic dintre genomul cunoscut al lui Crenarchaeots și genomul presupusei gazde a lui Nanobsidianus. stetteri , deși mai mare, este cel mai mic dintre genomul cunoscut din ordinul Sulfolobales pe care îl reprezintă [5] .

Cele două specii incluse în filul Nanoarchaeota formează un grup bine definit, care nu este strâns legat de niciunul dintre grupurile arheene cunoscute. Nanoarchaeota sunt cel mai strâns legate de Euryarchaeota , de la care s-au îndepărtat cu mult timp în urmă. Este posibil ca forța evolutivă care a determinat separarea nanoarheotelor de euriarheote să fi fost o simbioză străveche; prin urmare, toți reprezentanții Nanoarcheaotei trebuie să fie simbioți sau paraziți [5] .

Note

1. ↑ 1 2 Vorobyova, 2007 , p. 344.
2. ↑ 1 2 3 4 5 Munson-McGee J. H., Field E. K., Bateson M., Rooney C., Stepanauskas R., Young M. J.  Nanoarchaeota, Their Sulfolobales Host și Nanoarchaeota Virus Distribution through Yellowstone National Park Hot Springs  and Environment // Microbiology Hot Springs . - 2015. - Vol. 81, nr. 22. - P. 7860-7868. - doi : 10.1128/AEM.01539-15 . — PMID 26341207 .
3. ↑ Huber H., Hohn M. J., Rachel R., Fuchs T., Wimmer V. C., Stetter K. O.  A new phylum of Archaea reprezentat by a nanoized hyperthermophilic simbiont  // Nature . - 2002. - Vol. 417, nr. 6884. - P. 63-67. - doi : 10.1038/417063a . — PMID 11986665 .
4. ↑ Vorobyova, 2007 , p. 347-348.
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Podar M., Makarova K. S., Graham D. E., Wolf Y. I., Koonin E. V., Reysenbach A. L.  Perspective în evoluția arheală și simbioza din genomurile unui nanoarchaeon și ale acestuia deduse din Parcul Național Yellowstone crenarchaeal.  // Biologie Direct. - 2013. - Vol. 8. - P. 9. - doi : 10.1186/1745-6150-8-9 . — PMID 23607440 .
6. ↑ 1 2 Vorobyova, 2007 , p. 348.
7. ↑ Vorobyova, 2007 , p. 350.
8. ↑ 1 2 3 4 Waters E., Hohn M. J., Ahel I., Graham D. E., Adams M. D., Barnstead M., Beeson K. Y., Bibbs L., Bolanos R., Keller M., Kretz K., Lin Xiaoying, Mathur E. ., Ni Jingwei, Podar M., Richardson T., Sutton G. G., Simon M., Soll D., Stetter K. O., Short J. M., Noordewier M.  The genome of Nanoarchaeum equitans : insights in early archaeal evolution and derived parazitism  // Proc . Nat. Acad. sci. SUA . - 2003. - Vol. 100, nr. 22. - P. 12984-12988. - doi : 10.1073/pnas.1735403100 . — PMID 14566062 .
9. ↑ Archaea, 2007 , p. 55.
10. ↑ Giannone R. J., Huber H., Karpinets T., Heimerl T., Küper U., Rachel R., Keller M., Hettich R. L., Podar M.  Caracterizarea proteomică a proceselor celulare și moleculare care permit relația Nanoarchaeum equitans  - Ignicoccus hospitalis  // PLoS One . - 2011. - Vol. 6, nr. 8. - P. e22942. - doi : 10.1371/journal.pone.0022942 . — PMID 21826220 .
11. ↑ 1 2 3 4 5 Randau L.  Procesarea ARN în organismul minim Nanoarchaeum equitans  // Biologia genomului. - 2012. - Vol. 13, nr. 7. - P. R63. - doi : 10.1186/gb-2012-13-7-r63 . — PMID 22809431 .
12. ↑ Vorobyova, 2007 , p. 348, 350.
13. ↑ Kawai Y., Maeda Y.  Nanoarchaeum equitans nu a reușit să mențină echilibrul între stabilitatea ADN-ului și potențialul de topire  // The Journal of General and Applied Microbiology. - 2011. - Vol. 57, nr. 2. - P. 123-128. doi : 10.2323 /jgam.57.123 . — PMID 21606613 .
14. ↑ Olszewski M., Balsewicz J., Nowak M., Maciejewska N., Cyranka-Czaja A., Zalewska-Piątek B., Piątek R., Kur J.  Characterization of a Single-Stranded DNA-Binding-Like Protein from Nanoarchaeum equitans  - O proteină de legare a acidului nucleic cu specificitate largă de substrat  // PLoS One . - 2015. - Vol. 10, nr. 5. - P. e0126563. - doi : 10.1371/journal.pone.0126563 . — PMID 25973760 .
15. ↑ Friedrich-Jahn U., Aigner J., Längst G., Reeve J. N., Huber H.  Originea nanoarheală a histonei H3?  // Jurnalul de bacteriologie. - 2009. - Vol. 191, nr. 3. - P. 1092-1096. - doi : 10.1128/JB.01431-08 . — PMID 19047349 .

Literatură

• Vorobyova L. I. . Archaea: manual pentru universități. - M . : ICC "Akademkniga", 2007. - 447 p. - ISBN 978-5-94628-277-2 .
• Amils, Ricardo. . Nanoarchaeota // Enciclopedia de Astrobiologie / Ed. de Muriel Gargaud et al. - Berlin: Springer-Verlag, 2011. - xliv + 1851 p. - ISBN 978-3-642-11274-4 .  - P. 1106. - doi : 10.1007/978-3-642-11274-4_1040 .
• Archaea: Evoluție, fiziologie și biologie moleculară / Ed. de Roger A. Garrett, Hans-Peter Klenk. - Malden, MA: Blackwell Publishing Ltd., 2007. - xii + 416 p. — ISBN 978-1-4051-4404-9 . - doi : 10.1002/9780470750865 . .