Вариабельная архитектура микротрубочек у малярийного паразита

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1216 (2023) Цитировать эту статью

2456 Доступов

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Микротрубочки представляют собой повсеместно распространенный элемент цитоскелета эукариот, обычно состоящий из 13 протофиламентов, расположенных в полом цилиндре. Такое расположение считается канонической формой и принимается большинством организмов, за редким исключением. Здесь мы используем электронную криотомографию in situ и субобъемное усреднение для анализа изменения цитоскелета микротрубочек Plasmodium falciparum, возбудителя малярии, на протяжении всего его жизненного цикла. Неожиданно разные формы паразитов имеют различные структуры микротрубочек, координируемые уникальными организующими центрами. В мерозоитах, наиболее изученной форме, мы наблюдаем канонические микротрубочки. У мигрирующих форм комаров структура 13 протофиламентов дополнительно усилена прерывистыми просветными спиралями. Удивительно, но гаметоциты содержат широкое распространение структур микротрубочек, от 13 до 18 протофиламентов, дублетов и триплетов. Такое разнообразие структур микротрубочек до сих пор не наблюдалось ни у одного другого организма и, вероятно, является свидетельством особой роли в каждой форме жизненного цикла. Эти данные дают уникальную возможность взглянуть на необычный цитоскелет микротрубочек соответствующего человеческого патогена.

Микротрубочки являются жизненно важным компонентом цитоскелета во всех ветвях эукариот, образуя пути для внутриклеточного транспорта, структурную поддержку передвижения и веретена для сегрегации хромосом. Полимеризация гетеродимеров α-/β-тубулина образует протофиламенты, которые взаимодействуют латерально, собираясь в полый цилиндр. Микротрубочка из 13 протофиламентов считается канонической, поскольку эта структура чаще всего наблюдается в широко изученных супергруппах эукариот. В то время как первые электронные микроскописты обнаружили множество примеров неканонических микротрубочек1, сложность очистки функционального нативного тубулина от некоторых видов и чрезмерная зависимость от модельных организмов привели к тому, что наше понимание биологии микротрубочек основано в первую очередь на изучении микротрубочек многоклеточных животных. Неканонические примеры, такие как 11-протофиламентные микротрубочки специализированных клеток у нематод2,3 и 15-протофиламентные микротрубочки столбчатых клеток внутреннего уха4,5, считаются любопытными исключениями. В результате, хотя простейшие представляют собой большую и разнообразную группу, большая часть наших гипотез об их микротрубочках была выведена из исследований многоклеточных животных.

Эукариотические простейшие паразиты Plasmodium spp. полагаются на каркас из упорядоченных субпелликулярных микротрубочек (SPMT) в качестве основных структурных компонентов цитоскелета. P. falciparum, возбудитель малярии, имеет сложный жизненный цикл, чередующийся между комаром-переносчиком и человеком-хозяином (рис. 1). Обширная совместная эволюция с двумя хозяевами привела к тому, что патоген использует множество высокоспециализированных и морфологически различных типов клеток, называемых здесь формами. Хотя каждая форма занимает свою отдельную нишу и морфологически разнообразна, наличие SPMT является объединяющей чертой. SPMT лежат ниже и взаимодействуют с двойной мембраной, известной как внутренний мембранный комплекс (IMC), расположенной под плазматической мембраной. Вместе эти структуры называются пелликулой, которая встречается у Apicomplexa, включая, например, Toxoplasma gondii. Пелликула разрушается при переходе, а затем восстанавливается во время созревания каждой формы жизненного цикла, и каждый раз она сопровождается другим набором связанных белков6,7. Эта реорганизация de novo является движущей силой существенных морфологических изменений паразита, и SPMT играют ключевую роль в этом процессе8.

Упрощенный жизненный цикл плазмодий изученных здесь форм паразита. Спорозоиты вводятся в организм хозяина. После дифференцировки в печени мерозоиты выделяются в кровь. Большинство из них вступают в бесполый цикл репликации (мерозоиты), а небольшой процент превращается в гаметоциты. Гаметоциты поглощаются комаром, и после слияния мужских и женских гамет в кишечнике комара зиготы превращаются в оокинеты. Оокинеты проникают через среднюю кишку комара, развиваются в ооцисты и образуют тысячи спорозоитов, которые мигрируют в слюнные железы. б Схематическое изображение нашего рабочего процесса: (i) живые паразиты витрифицируются на ЭМ-решетках. (ii) клетки истончаются до пластинок, а затем (iii) визуализируются с помощью электронной криотомографии (крио-ЭТ). Серии наклонов собираются и компьютерным способом реконструируются в трехмерные объемы. c Столбцы 1–4: репрезентативные изображения паразитов на разных этапах рабочего процесса. 1: композиции флуоресцентных изображений клеток, подчеркивающие общую форму паразита. Врезка: мультипликационное изображение каждого этапа. 2: Микрофотографии сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показывающие паразитов Plasmodium (некоторые из них окрашены в желтый и зеленый цвета), окруженных клетками-хозяевами (зеленые звездочки). 3: микрофотографии, показывающие общий вид ламелей. 4: фрагменты примеров томограмм.