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Quão intimamente relacionados estão dois parasitas Giardia intestinalis e Trichomonas vaginalis?

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Quão intimamente relacionados (do ponto de vista evolutivo) são os parasitas Giardia intestinalis e Trichomonas vaginalis? Giardia o genoma tem cerca de 12 Mb e seus principais processos celulares são bastante simples. O genoma de Trichomonas tem aproximadamente 160 Mb. E quanto aos seus processos celulares, também é 'minimalista'?


Basicamente, Giarda é um um Escava enquanto Trichomonas é um Cercozoa significando um Rhizaria (Cromealveolados no sentido amplo, conforme observado por @ har-wradim nos comentários (agora excluído) porque Cercozoa não são nem Chromista nem alveolata) Como a própria base da árvore dos eucariotos ainda não foi resolvida (eucariotos), o ancestral comum mais recente dessas duas espécies é apenas um antigo eucarioto! Em outras palavras, essas duas espécies não estão mais intimamente relacionadas do que um gato e um castanheiro!

Os links levam a Tolweb.org, que mostra a árvore filogenética e permite que você explore as relações entre os organismos. Dê uma olhada na árvore eucarionte especialmente para ver as posições do Rhizaria e Cercozoa.


7 formas parasitárias de flagelados | Filo Protozoário

Também conhecida como Giardia intestinalis, vive como parasita no intestino do homem e causa uma doença chamada giardíase. A distribuição é cosmo e shypolitan. Os trofozoítos medem 9-20 por 6-15 micra. Cytostome está ausente. O protoplasma está claro. O lado ventral do corpo é plano e o lado dorsal é convexo.

A extremidade posterior é pontiaguda, mas a extremidade anterior é redonda. Um disco de sucção em forma de feijão está presente na superfície ventral. Dois núcleos alongados e dois corpos parabasais estão presentes.

Existem oito rizoplastos e flagelos nos seguintes arranjos e tímidos - direito-1, esquerdo-1, ântero-lateral-1, póstero-lateral-1, ventral-2 e caudal-2. Os cistos medem 8-14 por 6-10 micra e contêm 2 a 16 núcleos. A infecção ocorre como um flagelo posterior ou posterior além da bebida ou alimento contaminado (Fig. 10.7).

Parasitic Form # 2. Trichomonas Hominis:

Esses parasitas cosmopoli e shytan possuem trofozoítos de 5-20 micra e habitam o intestino do gado. Ele também vive como comensal no cólon do homem. O citostomo é distinto e os corpos parabasais estão ausentes. O protoplasma contém um único núcleo e vacúolos alimentares. O número de flagelos livres varia de 3-5.

Dois blefaroplastos estão situados na frente e anteriormente ao núcleo. Três a quatro flagelos surgem do blefaroplasto próximo ao núcleo e são direcionados anteriormente.

Do outro blepharo & shyplast surge o flagelo fixo, costa e axostyle. O flagelo fixo é acompanhado pela membrana ondulante em todo o comprimento do corpo e então continua como um flagelo posterior além do comprimento do corpo (Fig. 10.8).

Parasitic Form # 3. Trichomonas Vaginalis:

Cosmopolita e tímido como parasita na vagina das mulheres e também encontrado na uretra do homem. Aproximadamente 10-30 micra de comprimento e mais ou menos de forma oval (Fig. 10.9). O núcleo é alongado, o citostomo é menos distinto, o corpo parabasal é grande e a membrana ondulante é curta. Nenhuma formação de cisto não sobrevive mais de 24 horas fora do corpo do hospedeiro. A transmissão é direta através do sexo masculino.

Parasitic Form # 4. Hemoflagelados:

Os hemoflagelados são um grupo de flagelados que vivem habitualmente no sangue ou tecidos do homem e de outros vertebrados. Os hemoflagelados do homem pertencem à família Trypanosomatidae.

A família inclui dois gêneros, a saber, Trypanosoma e Leishmania. Esses parasitas são estruturalmente complexos e de considerável importância patogênica para o homem. Os tripanossomos são parasitas do sangue uniflagelados do homem e de outros vertebrados.

Eles ocorrem em uma variedade de formas e todas essas formas (Fig. 10.10) estão representadas no ciclo de vida de Herpetomonas muscarum (um membro da família Trypanosomatidae), que é um parasita da mosca doméstica. O ciclo de vida do Trypanosoma gira em torno de dois hospedeiros - um vertebrado e o outro invertebrado. Os tripanossomos apresentam polimorfismo, apresentando diferentes formas morfológicas em diferentes condições.

As formas polimórficas são (Fig. 10.10):

I. Forma Leishmania ou Forma Amastigota:

O corpo é redondo ou oval com um núcleo e um cinetoplasto, mas nenhum flagelo está presente.

II. Forma Leptomonad ou Forma Promastigota:

Toda a estrutura é semelhante a filamentos, núcleo localizado centralmente, o blefaroplasto é anterior ao núcleo, o rizoplasto surge do blefaroplasto e segue direto para a extremidade anterior e então emerge como um flagelo livre com o dobro do comprimento do corpo.

III. Forma crítica ou forma epimastigota:

O flagelo não está completamente livre e corre ao longo da superfície e sobe pela extremidade anterior. Está em associação com a membrana ondulante, que é curta. Além da extremidade anterior, o flagelo está livre.

4. Forma Trypanosoma ou Forma Tripomastigota:

O blefaroplasto está situado atrás do núcleo. O flagelo contorna todo o comprimento do corpo e permanece tímido à membrana ondulante.

As formas leishmaniais deixam o corpo junto com os excrementos da mosca. A Leishmania ingerida atinge o esôfago do hospedeiro vertebrado e é transformada na forma leptomonada.

O gênero Trypanosoma inclui os parasitas sanguíneos típicos e tímidos do homem e outros verte & tímidos. Eles são transmitidos pelo sangue e invertebrados shysucking de vertebrado para vertebrado. Os tripanosomas ocorrem em todos os verte & shybrates, mas são patogênicos para o homem e alguns mamíferos domésticos.

Os principais tripanossomos patogênicos do homem são: Trypanosoma gambiense e T. rhodesiense - os agentes causadores da doença do sono africana. Os tripanossomos patogênicos têm uma história de vida semelhante. O relato biológico de alguns tripanossomas dará um relato do grupo em geral.

Parasitic Form # 5. Trypanosoma Cruzi:

Agente causador da Esquizotripanossomíase ou doença de Chagas & # 8217. Distribuição registrou na América Central e do Sul. As formas de tripanossoma ocorrem na corrente sanguínea do homem, mas não se multiplicam ali. Eles têm 20 micra de comprimento e 3-7 micra de largura. O cinetoplasto é grande e situado na parte posterior do núcleo. O núcleo é elon e tímido. A membrana ondulante é estreita, a extremidade livre do flagelo não tem mais do que metade do comprimento do corpo.

As formas do tripanossoma mudam para formas leishmania e a mudança é reversível e tímida. As formas leishmaniais são ovóides e têm 4 micra de diâmetro. Pode-se observar a presença de núcleo distinto e cinetoplasto em forma de bastonete, rizoplasto curto perpendicular ao cinetoplasto. As formas de Leishmania se reproduzem por fissão binária e se refugiam nas fibras musculares, neurônios, testículos, glândula tireoide e pele (Fig. 10.11).

Os insetos hemípteros sugadores de sangue da família Triatomatidae são os hospedeiros intermediários. Parasitas em formas de tripanossoma entram no intestino dos insetos e se transformam em formas critidiais várias semanas depois, as formas critidiais mudam para formas de tripanossoma e são então chamadas de Tripanossoma metacíclico.

O homem é infectado pela deposição de excrementos de insetos na pele machucada, conjuntiva dos olhos e até mesmo nos lábios.

Parasitic Form # 6. Trypanosoma Gambiense:

Agente causador da tripanossomíase da África Ocidental ou doença do sono. Eles ocorrem nas glândulas linfáticas, no tecido reticular do baço, no sangue e em um estágio posterior no líquido cefalorraquidiano nas formas de tripano e timoma apenas e se dividem por fisiologia binária. As formas de tripanossoma têm 15-32 micra de comprimento.

A membrana ondulante é muito convoluta, o núcleo é posicionado posteriormente e o cinetoplasto é redondo. O citoplasma contém grânulos volutinos (Fig. 10.12).

Três tipos de formas de tripanossoma são conhecidos:

O hospedeiro intermediário é a mosca tsé-tsé sugadora de sangue e tímida, Glossina palpalis, que infecta o homem de duas maneiras:

(a) Transmissão direta:

Quando uma mosca pica um homem infectado com tripanossoma, alguns tripanosomas aderem à tromba e quando esta mosca pica outro homem, o tripasnosoma é introduzido nele, desde que o tempo entre as picadas sucessivas não exceda algumas horas.

(b) Transmissão cíclica:

Quando a mosca faz a refeição infectante, os parasitas entram no intestino médio, permanecem lá por dois dias e começam a se multiplicar. Para evitar a lavagem pelo movimento do intestino, os parasitas se refugiam no espaço extraperitrófico - o espaço entre a parede intestinal e a membrana peritrófica (uma membrana fina que cobre o sangue embebido pela mosca) e se multiplica.

Em seguida, eles saem em grande número para o proventrículo após dez dias e atingem a glândula salivar no 12º dia. Eles ficam prontos para a infecção após 20 dias.

A mosca introduz os tripanosomas na corrente sanguínea do homem ao longo de sua picada (Fig. 10.13).

Entre os outros Trypanosomas, o Trypanosoma rhodesiense causa a doença do sono da África oriental. Trypanosoma brucei causa a febre do nagana em animais domésticos africanos e é transmitida pela Glossina Trypanosoma evansi causando surra em cavalos indianos, bovinos, camelos e transmitida por moscas tabanídeos Trypanosoma equiperdum causando doença e timidez em cavalos e as mulas são transmitidas diretamente durante o coito.

Os tripanossomas não patogênicos também ocorrem no homem. Trypanosoma primatum de macacos antropóides, Trypanosoma rangeli do homem na Venezuela e Colômbia e Trypanosoma rotatorium de rãs são alguns dos tripanossomas não patogênicos típicos.

Parasitic Form # 7. Leishmanias:

Os membros do gênero Leishmania que são parasitas do homem e de outros vertebrados ocorrem nas formas Leishmania (formas sem flagelo) e nos hospedeiros intermediários são vistos nas formas leptomonas (formas flageladas). Três membros do gênero são parasitas no homem e oferecem semelhanças entre si.

No homem, as leishmanias (Fig. 10.14) são parasitas intracelulares do sistema retículo e tímio, a saber, as células endoteliais, grandes leucócitos mononucleares e células de Kupffer do fígado. Em caso de infecção forte e tímido, eles invadiram células ectodérmicas e tímicas e leucócitos polinucleares.

As leishmanias têm forma oval e medem 2 a 4 micra por 1,5 a 2 micra. O núcleo é alongado com um cinetoplasto em forma de bastonete perpendicular ao núcleo. O flagelo está ausente. A fissão binária é o modo de multiplicação. Por suas sucessivas divisões, os parasitas ficam superlotados na célula hospedeira, que é finalmente destruída.

O hospedeiro intermediário é o flebotomíneo do gênero Phlebotomus. A mosca ingere leishmanias junto com o sangue do hospedeiro vertebrado. No intestino médio da mosca, os parasitas aumentam de tamanho, desenvolvem flagelos e se metamorfoseiam em formas longas e delgadas de Leptomonad em quatro dias. As leptomonas se multiplicam vigorosamente por fissão binária e atingem o proventrículo da mosca.

A multiplicação repetida dentro do proventrículo e shylus causa obstrução completa do órgão. Como resultado, quando o flebotomíneo tenta ingerir sangue, a refeição não vai além do esôfago. Isso causa uma regurgitação do sangue aspirado e as leptomonas são introduzidas na corrente sanguínea junto com a regurgitação.

Ele reside nas vísceras e é o agente causador da leishmaniose visceral ou calazar fatal. É predominante no leste da Índia, China, Ásia Central, África Oriental, América do Sul e Rússia.

O homem é infectado por se associar a um chacal-reservatório silvestre ou não doméstico e a um cão reservatório doméstico. A disseminação da doença entre os seres humanos é causada pelo hospedeiro intermediário Phlebotomus (Indian vec & shytor, Phlebotomus argentipes).

(i) No calazar, o parasita ataca as células endoteliais, a medula óssea, as células de Kupffer do fígado, os vasos sanguíneos do baço e os gânglios linfáticos (nódulos linfáticos).

(ii) Esses órgãos estão aumentados e há um sintoma de falta de sangue e febre alta.

O controle do flebotomíneo (Phle & shybotomus sp.) Consiste no controle do mosquito ma & shylaria.

(i) Se os compostos de antimônio são tratados para os pacientes, prova bem-sucedida.

(ii) Estibamina uréia, Aminoestiburéia, Solistibosan, isotionato de pentamidina podem ser as drogas eficazes.

Reside na pele humana e é o agente causador da leishmaniose cuta e tímida ou furúnculo oriental e ferida oriental. É mais predominante no velho mundo. O reservatório silvático é o roedor selvagem e o reservatório doméstico é o cão. Transmis & shysion é através de Phlebotomus (vetor indiano, Phlebotomus sergenti).

Leishmania Brasiliensis:

Ele reside nas partes cutâneas e mucocutâneas do corpo humano e é o agente causador da Espundia - uma doença grave das cavidades bucal e nasal. É predominante no Novo Mundo. O reservatório silvático é um roedor e gambá e o reservatório doméstico é o cão. A transmissão ocorre, através do Phlebotomus.


Exemplos de protozoários flagelados (com diagrama)

O parasita da doença do sono. Foi observado pela primeira vez por Forde em 1901. Fruce descobriu que o parasita da doença do sono é transmitido pela mosca tsé-tsé. Causa a doença do sono na Gâmbia. A doença, também chamada de tripanossomíase gambiana, é encontrada nas partes ocidental e central da África.

O parasita é transmitido pela mosca tsé-tsé, Glossina palpalis. O hospedeiro reserva é o antílope. O parasita não afeta o antílope e a mosca. A boca e o vacúolo contrátil estão ausentes. Os alimentos são absorvidos pela superfície do corpo. Nos seres humanos, o parasita vive no plasma sanguíneo. Mais tarde, o parasita entra no líquido cefalorraquidiano e danifica o cérebro. Isso torna o paciente letárgico e inconsciente.

Exemplo # 2. Trypansoma Rhodesiense:

Causa a doença do sono da Rodésia. A doença também é chamada de tripanossomíase rodesiana. O parasita é transmitido pelas picadas da mosca tsé-tsé (Glossina palpalis e Glossina morsitans). Inicialmente, o parasita está presente no sangue do homem, mas posteriormente entra no líquido cefalorraquidiano.

Exemplo # 3. Trypanosoma Cruzi:

Causa tripanossomíase sul-americana (também chamada de doença de Chagas). Os sintomas da doença são febre, diarreia, anemia e aumento das glândulas linfóides. Os seres humanos são infectados pela contaminação de feridas, etc. com fezes de insetos triatoinídeos.

Polimorfismo em Trypanosoma:

Durante o ciclo de vida, os tripanossomos se multiplicam e se modificam em quatro tipos principais de formas polimórficas que diferem entre si na forma do corpo e no arranjo das organelas.

Exemplo # 4. Leishmania Donovani:

Causa kala-azar ou febre dum-dum (= leish visceral e tímida). Kala-azar significa doença negra. Esta doença é bastante comum no Leste Asiático, incluindo a Índia, partes da África e da América.

A febre é contínua e acompanhada de anemia, aumento do fígado, baço, etc. O parasita é transmitido pelo mosquito-pólvora, Phlebotomus argentipes e outras espécies. Cães e gatos funcionam como hospedeiros reservatórios. O parasita vive dentro das células do fígado, baço, gânglios linfáticos e medula óssea.

Exemplo # 5. Leishmania Tropica:

Causa leishmaniose cutânea (ferida cutânea oriental). As pessoas infectadas podem ser vistas com feridas cutâneas nas mãos, pés e rosto. Isso leva a feridas ulceradas com bordas levantadas. A doença é transmitida por flebotomíneos. O parasita vive nas células endoteliais dos capilares da pele.

Exemplo # 6. Leishmanian Brasilliensis:

Causa leishmaniose mucocutânea (também chamada de Espundia). Espundia é caracterizada por lesões na pele e membranas mucosas do nariz, boca, faringe e raramente vagina. O parasita é transmitido pelos flebotomíneos.

Exemplo # 7. Giardia Intestinalis (Giardia-Lambia):

É nomeado Giardia após o Professor Giard de Paris e lambia após Lambl de Praga, que deu uma descrição detalhada do parasita. Giardia é comumente apelidado de “Grande Velho do Intestino. Ela ocorre na parte superior do intestino delgado humano. A transmissão ocorre ao tomar cistos do parasita com comida e água.

Existem dois núcleos e quatro pares (um anterior e três posteriores) de flagelos direcionados para trás. Dois auxostilos semelhantes a agulhas também estão presentes. Causa dor epigástrica, desconforto abdominal, diarreia, dor de cabeça e às vezes febre. A doença causada pela Giardia é popularmente conhecida como giardíase.

Exemplo # 8. Trichomonas Vaginalis:

Habita a vagina das mulheres e causa a doença leucorréia. A doença é caracterizada por sensação de queimação, coceira e secreção espumosa. A transmissão é por coito (relação sexual). Nos homens, a infecção da uretra e da próstata é comum.

Exemplo # 9. Trichomonas Hominis:

Reside no intestino grosso e causa diarreia leve.

Exemplo # 10. Trichonympha Campanula:

Este zoo flagelado ocorre como um simbionte no intestino dos cupins. Trichonympha secreta enzimas de digestão de celulose, b-glicosidases, que convertem a celulose em glicose. O alimento digerido é compartilhado pelo flagelado do zoológico e pelos cupins. Sem Trichonympha, os cupins morrem de fome e morrem.

Exemplo # 11. Lophomonas Blattarum:

Ocorre como um simbionte no intestino das baratas da madeira. Lophomonas secreta enzimas para a digestão da celulose. O alimento digerido é compartilhado por ambos.


Resultados e discussão

Nós catalogamos o Giardia kinome usando perfis de modelo de Markov oculto (HMM) e pesquisas Blast de sequências genômicas e EST de três cepas sequenciadas: dois patógenos humanos estabelecidos, WB (assemblage A) [8] e GS (assemblage B) [9], que parecem abranger o divergência de isolados infecciosos para humanos, e uma cepa suína recentemente isolada, P15 (assembléia E) [10]. Apesar de seu nome de gênero compartilhado, esses genomas são bastante divergentes, com uma média de 90% de identidade de sequência de proteína entre WB e P15, e aproximadamente 79% entre essas duas cepas e GS [10].

Encontramos 278 proteínas quinases na cepa WB (Tabela 2 Arquivo adicional 1), 272 em GS e 286 em P15, usando a versão 2.3 do Giardia genomas [17]. Isso inclui 46 novas previsões de genes e 86 sequências não anotadas anteriormente como quinases. Também estendemos 30 previsões de genes fragmentários de WB para sequências de pseudogene mais longas. Notavelmente, mais de 70% do kinome pertence a uma grande expansão de uma família, as Nek kinases. Uma vez que eles têm tantas características incomuns, nos referiremos às 80 quinases não Nek como o quinome central e consideraremos a expansão Nek separadamente.

O kinome central

O cinoma central de 80 quinases é completamente conservado entre os três genomas. Sessenta e uma quinases centrais podem ser classificadas em 49 classes distintas (famílias ou subfamílias) que são conservadas em muitos outros eucariotos [18-23], as 19 restantes incluem 5 em duas pequenas Giardia-famílias específicas e 14 sem homólogos próximos (Tabela 2 Arquivo adicional 1). Giardia as sequências são tipicamente as mais divergentes de qualquer dentro de suas famílias: a comparação de um conjunto de nove ortólogos de domínio de quinase universalmente conservados de humanos para várias linhagens de ramificação profunda mostrou uma identidade de sequência média de apenas 40% para Giardia, em comparação com 46% para a escavação relacionada Trichomonas vaginalise 46 a 50% para outras linhagens de ramificação profunda (ciliados, plantas, fungos) (arquivo adicional 2). Isso indica que Giardia as sequências são notavelmente divergentes, mesmo para uma linhagem de ramificação inicial, e fornecem um recurso útil para estudar os limites de como as sequências podem variar enquanto ainda retêm suas funções específicas de família. Assim, Giardia codifica o menor e mais divergente de sequência dos quinomes eucarióticos estudados, exceto aqueles de parasitas que não foram cultivados axenicamente. Nenhuma classe kinome central tem mais de três membros em Giardia, sugerindo uma falta de duplicação recente e expansão em funções especializadas.

Duas quinases previamente previstas não puderam ser encontradas: uma proteína quinase C (PKC) foi inferida anteriormente pela reatividade a anticorpos contra PKCs de mamíferos e por inibidores seletivos de PKC [24], mas nenhum homólogo de PKC claro é visto na sequência do genoma. Da mesma forma, embora um receptor do fator de crescimento semelhante à insulina (IGFR) quinase foi inferido pela ligação do anticorpo e associação com a fosfotirosina [25], não foi possível encontrar um IGFR nos genomas de Giardia ou qualquer outro protista.

Origem evolutiva e repertório funcional do GiardiaKinome

Para sondar a origem do Giardia kinome, anotamos os kinomes de duas outras escavações, Trichomonas vaginalis [26] e Leishmania major [27] (Arquivo adicional 3). As escavações são um dos cerca de seis 'supergrupos' divergentes de eucariotos, cuja relação entre si é incerta [28]. Escavados incluem protistas de vida livre, simbióticos e parasitas, muitos flagelados e frequentemente com mitocôndrias reduzidas. A comparação dos três cinomas escavados prediz um rico kinome de 68 cinases distintas em seu ancestral comum, com perdas substanciais de cinases centrais em espécies existentes, possivelmente devido aos seus estilos de vida parasitas reduzidos [29] (Figura 2, Tabela 2). Essas perdas fornecem um modelo valioso para explorar o efeito da deleção do gene na evolução da via e na biologia do organismo. Todas as três escavações carecem de 17 classes de quinase encontradas em pelo menos dois outros grupos eucarióticos principais (unicontes, plantas, cromalveolados), sugerindo uma divergência muito precoce das escavações [30] e / ou até mais perdas em todo o clado. Isso sugere que o ancestral comum dos eucariotos existentes tinha 85 classes de quinase diferentes (ou 68 se os escavados forem o clado divergente mais antigo), substancialmente mais do que as estimativas anteriores [19, 20], e atestando os diversos papéis conservados das quinases. Vários temas dignos de nota emergem dessas perdas (Tabela 2, ver abaixo).

Perda de quinases na linhagem levando a Giardia. Sessenta e sete classes de quinase são compartilhadas entre uma das três escavações Giardia, Trichomonas vaginalis e Leishmania major e pelo menos dois outros clados principais (unicontes, plantas ou cromalveolados). Outras 17 quinases estão faltando em todas as três escavações, mas foram encontradas em pelo menos dois dos grupos externos e podem ser perdas de escavação (dando um cinoma primordial de 84 classes de quinase) ou invenções eucarióticas posteriores se as escavações foram de fato a linhagem divergente mais antiga. As classes de quinase estão listadas na Tabela 2.

Padrões distintos de perdas de quinase no Giardialinhagem

Cinco das sete quinases antigas perderam-se de Giardia e T. vaginalis, mas encontrado em L. major, são quinases mitocondriais (ABC1-A, -B, -C, PDHK, BCKDK), consistentes com a degeneração da mitocôndria em um mitossoma ou hidrogenossoma nestas espécies amplamente anaeróbicas [31]. Uma degeneração separada ocorreu em alguns amebozoários e, consequentemente, essas quinases também são secundariamente perdidas de Entamoeba histolytica (GM, não publicado). Os outros dois estão provavelmente envolvidos no reparo e no splicing do DNA (veja abaixo). As 17 quinases encontradas em outras linhagens de ramificação precoce, mas ausentes de escavações incluem IRE1 e PEK, que medeiam as respostas de estresse do retículo endoplasmático, apoiando a falta observada de uma resposta fisiológica de proteínas desdobradas em Giardia [32] (consulte o arquivo adicional 4 para obter as definições das classes de quinase discutidas no texto). Giardia tem fusos mitóticos duplos incomuns [33], e todas as três escavações também não possuem as quinases associadas ao fuso BUB e quinase dependente de ciclina (CDK) 11. Todos eles também não possuem as quinases associadas à mitose SAK e Haspin, e sua falta de uma quinase S6 ribossômica (RSK) se correlaciona com a falta de um substrato regulatório serina na cauda da proteína ribossômica S6 em todas as escavações. Genes perdidos apenas de Giardia incluem três cinases de reparo de DNA codificantes (ATR, ATM, TLK) e duas cinases de RNA polimerase (CDK7, CDK12). Apesar de ter um citoesqueleto de microtúbulos elaborado, Giardia perdeu as quinases associadas aos microtúbulos MAST e TTBK (Tau tubulin quinase), enquanto a quinase reguladora de afinidade dos microtúbulos (MARK) está faltando em todas as escavações. Splicing e quinases ligadas a RNA DYRKP, YAK, PRP4 e SMG1 e fator de transcrição basal quinases TAF1 e CDK8 também são perdidos em diferentes padrões dentro das escavações, sugerindo divergência gradual ou redução na regulação desses processos.

Perdas de cinases de reparo de DNA podem explicar a sensibilidade à radiação e danos químicos ao DNA

As PIKKs (fosfatidil inositol 3 'quinases relacionadas à quinase) ATM, ATR e DNAPK estão envolvidas no reconhecimento e reparo de quebras de DNA [34]. A deleção destes em vários organismos leva a um aumento da sensibilidade à radiação e mutagênicos. Giardia é o único eucarioto conhecido por não ter todos os três, embora tenha um gene (GK009) com semelhança muito fraca com os domínios da quinase ATR e ATM, mas não tem seus domínios acessórios conservados. Giardia também carece das quinases de ponto de verificação Chk1 e Chk2 que são ativadas por ATM e ATR, e as quinases TLK a jusante [35]. ATM, ATR e TLK são encontrados em T. vaginalis. Giardia tem homólogos de outras proteínas de reparo de quebra de DNA, incluindo MRE11 e RAD50 do complexo MRN, sugerindo que aspectos do reparo de quebra de DNA podem ser funcionais, mas talvez reconhecidos por um mecanismo divergente. Giardia tem uma única histona H2A com um local de substrato ATM / ATR semelhante a H2Ax. A indução de quebras de DNA de fita dupla em trofozoítos resulta em coloração de anticorpo anti-fosfo-H2A [36]. Isso sugere que alguma atividade de cinase semelhante a ATM / ATR pode estar presente, possivelmente agindo através de GK009. Giardia também carece de DNAPK e seus parceiros de ligação, Ku70 e Ku80, indicando que o reparo de quebra de DNA pode ser severamente diminuído ou divergente em Giardia. Esta falta de quinases de reparo de DNA se correlaciona com a sensibilidade relatada de Giardia cistos a baixas doses de luz ultravioleta e incapacidade de reparar quebras de DNA [37].

Transcrição e splicing de quinases

Vários membros da família CDK controlam a RNA polimerase II por fosforilação de uma região de repetição do heptal em seu domínio carboxi-terminal (CTD) em plantas e animais. Estes incluem CDK7, CDK8, CDK9 [38] e CDK12 (CRK7) [39]. Alguns protistas, incluindo ciliados e tripanossomas, não têm a repetição do heptal de RNA polimerase II e CDK7 / 8/9, mas retêm CDK12, e vários têm muitos motivos Ser-Pro (SP) no CTD, sugerindo que CDK12 pode fosforilar esta cauda . T. vaginalis retém CDK7 e CDK12 e tem 19 sites SP no CTD, enquanto Giardia tem apenas dois sites SP e perdeu ambas as cinases. CDK12 também foi associado a splicing, que é comum em ciliados e tripanossomos, mas muito raro em Giardia. PRP4 é outra quinase associada ao splicing perdida de Giardia, mas outras quinases de splicing (SRPK, DYRK1, DYRK2) são mantidas, sugerindo que estas podem ter funções diferentes, ou ser retidas para uso nos raros casos de Giardia emenda [8].

Giardia também carece de TAF1, uma quinase atípica constituinte do fator de transcrição geral TFIID que é conhecido por fosforilar Ser33 da histona H2B. Giardia H2B carece desta serina, e nenhuma das outras 13 subunidades de TFIID foram identificadas [40]. TAF1 e vários outros membros do complexo TFIID são encontrados em T. vaginalis, sugerindo perda deste complexo de Giardia.

Fosforilação de histidina e tirosina

Ao contrário das plantas e da maioria dos protistas, Giardia carece de histidina quinases clássicas. Fosforilação de tirosina em Giardia trofozoítos podem ser vistos por western blot (Figura 3), [11], proteômica (TL, FG, não publicado) e imunofluorescência (Figura 4). No entanto, não encontramos tirosina quinases clássicas (grupo TK) ou membros do grupo semelhante à tirosina quinase (TKL). Várias outras quinases semelhantes à serina-treonina foram relatadas para fosforilar a tirosina, incluindo Wee1 (ciclo celular), MAP2K (embora atuando apenas na alça de ativação de MAPK) e TLK, enquanto DYRK e glicogênio sintase quinase (GSK) quinases da família pode autofosforilar na tirosina [41]. Perfil fosfoproteômico da escavação Trypanosoma brucei mostra que mais da metade dos eventos de fosforilação de fosfotirosina (pTyr) registrados foram encontrados nessas quinases [42]. Giardia tem um Wee, um MAP2K, um GSK e quatro quinases da família DYRK. Giardia não tem domínios de ligação de fosfotirosina SH2 ou PTB, apoiando a falta de um sistema de sinalização de fosfotirosina como foi inferido em animais, plantas e Dictyostelium [20, 43]. Em contraste, várias proteínas com domínios de ligação de fosfoserina ou fosfotreonina putativos estão presentes: dois domínios claros associados a forkhead (FHA), um 14-3-3, um WW e mais de 250 domínios WD40. Destes, apenas a proteína 14-3-3 foi caracterizada e demonstrou se ligar a fosfopeptídeos [44]. Saccharomyces cerevisiae também carece de quinases do grupo TK e TKL, mas mostra fosforilação substancial da tirosina por fosfoproteômica [1]. Esses dados de ambos Saccharomyces e Giardia sugerem que a especificidade dupla ou tirosina quinases não detectadas podem ser mais importantes do que se pensava anteriormente.

Distribuição de proteínas fosforiladas de serina, treonina e tirosina. Western blot do total Giardia lisados ​​de trofozoíto individualmente marcados com anticorpos que reconhecem fosfoserina (P-Ser), fosfotreonina (P-Thr) ou fosfotirosina (P-Tyr). O controle de carregamento taglin é mostrado na parte inferior da figura.

Imunolocalização de proteínas fosforiladas de serina, treonina e tirosina em Giardia trofozoítos. Trofozoítos interfásicos foram marcados com anticorpos contra fosfoserina (pSer), fosfotreonina (pThr) ou fosfotirosina (pTyr). A fosfolipulação é mostrada em verde, os núcleos são marcados com DAPI e uma imagem de mesclagem mostra a sobreposição entre as duas manchas. A morfologia é mostrada em uma imagem de contraste de interferência diferencial (DIC) de cada trofozoíto. Barra de escala = 10 μm.

Domínios acessórios são reduzidos ou divergentes

A maioria das quinases de outros genomas têm domínios adicionais que ajudam na regulação, localização ou estrutura. Muitos núcleos Giardia quinases não possuem domínios acessórios detectáveis. No entanto, os domínios que estão presentes correlacionam-se bem com domínios característicos da família conservados [18]: polo boxes em domínios PBD / CRIB da família PLK quinases em domínios PakA HEAT, FAT e FATC em TOR e pkinase_C em uma PKA e uma NDR quinase (Adicional arquivo 1, consulte o arquivo adicional 4 para obter as definições de domínios). Domínios PH crípticos são vistos em Akt e PDK1, e o domínio característico pkinase_C está ausente de outras quinases AGC, embora isso possa ser difícil de detectar em tais sequências remotas. Várias outras quinases têm regiões de nova sequência fora do domínio da quinase que podem ser domínios ortólogos muito divergentes na sequência para serem detectáveis. Nenhuma quinase tem um peptídeo sinal claro e apenas quatro têm domínios transmembranares. Isso é consistente com a taxa de falsos positivos observada para a previsão dessas regiões, sugerindo que Giardia não tem receptor quinases. Outros protistas parasitas não relacionados, incluindo Entamoeba histolytica, têm um rico complemento de cinases receptoras [45]. As Nek quinases são altamente enriquecidas para repetições de anquirina e regiões coiled-coil (veja abaixo).

Quinases cataliticamente mortas

Na maioria dos quinomes, cerca de 10% das quinases carecem de resíduos catalíticos críticos (K72, D166, D184) e são susceptíveis de serem cataliticamente inativas, mas podem reter funções de sinalização como andaimes ou substratos de quinase [46]. Na cepa WB, 10% (8 de 80) do kinome core e 71% (139 de 195) de Neks não têm um ou mais desses três resíduos principais e são provavelmente inativos (arquivo adicional 1). As oito quinases centrais inativas incluem Scyl, cujos ortólogos são todos inativos, e Ulk, que possui alguns homólogos inativos em outras espécies. As funções de ambas as famílias em qualquer organismo permanecem obscuras. Quatro pseudoquinases são proteínas altamente divergentes específicas para Giardia alguns podem ter locais ativos crípticos que não puderam ser encontrados por alinhamento com outras quinases.

Sinalização AGC

O grupo AGC quinase (PKA / PKG / PKC quinases) medeia uma ampla variedade de sinais intracelulares, incluindo nutrientes, fosfolipídios e respostas de sinais extracelulares. Giardia tem sete AGC quinases, incluindo um PDK1 muito divergente, Akt (GiPKB) [47], duas PKAs (quinases reguladas por AMP cíclico) [13, 14], uma flippase quinase lipídica (FPK) e duas quinases NDR. o Akt e PDK1 genes são particularmente divergentes, mas são parcialmente validados pela presença de domínios PH de ligação a fosfolipídios fracamente previstos e um provável local de fosforilação de PDK1 que é visto na alça de ativação de todos Giardia AGC quinases. Um possível 'motivo hidrofóbico' de ligação a PDK1 é encontrado em Akt (FKDF) e em uma quinase NDR (YTYRA), mas não em outras quinases AGC, e nenhum sítio de fosforilação vizinho é visto.

A sinalização dependente de AMP cíclico é confirmada pela presença de duas subunidades catalíticas PKA (arquivo adicional 1), uma subunidade regulatória (Orf_9117 em GiardiaDB) [14] e um homólogo (Orf_14367) de adenilato e guanilato ciclases. Nenhuma AKAP (proteína de ancoragem de quinase) clara foi encontrada. Em muitos organismos, incluindo Giardia, PKA localiza-se nos corpos basais / centrossomas [13]. Além disso, as subunidades catalíticas (PKAc) e regulatórias (PKAr) localizam-se nos bastonetes paraflagelares em vez dos axonemas flagelares [13, 14] (Tabela 1, Figura 1). A localização de PKAc e PKAr nos corpos basais é constitutiva, enquanto sua distribuição nos bastonetes paraflagelares é influenciada por estímulos externos, como fatores de crescimento, estímulos de encistação e níveis de cAMP [13]. Estudos de inibidores indicam que a atividade de PKAc também é necessária para o despertar celular da excistação [13].

Sinalização de fosfolipídios

Os dois Giardia As fosfatidil inositol quinases PI3K e uma PI4K foram clonadas e são expressas em trofozoítos e células de encistamento [48-50]. Como em outras espécies, PI3K provavelmente retransmite sinais de receptores transmembrana por ativação da proteína quinase PDK1 para fosforilar a sobrevivência quinase Akt e várias outras quinases do grupo AGC, bem como a proteína quinase semelhante a PI3K TOR, que modula as respostas do nível de energia. Isso sugere que Giardia tem vias de sinalização de fosfolipídios intactas acopladas a receptores não quinase.

Cascata MAPK

A cascata MAPK consiste em um relé de até quatro quinases que se fosforilam e se ativam mutuamente, geralmente para transmitir sinais da superfície celular para o núcleo. A cascata MAPK prototípica envolve o Erk MAPK, que é fosforilado na serina e na tirosina por um MAP2K (MEK, MKK, Ste7), que por sua vez é serina fosforilado por um MAP3K (MEKK, Ste11) e por um MAP4K. MAP2K, alguns MAP3Ks e MAP4K constituem as três famílias do grupo STE de quinases, enquanto Raf e MLK MAP3Ks são do grupo TKL. Todas as quatro classes de quinase são encontradas em todos os quinomos eucarióticos analisados, exceto Plasmodium [51]. Giardia tem um Erk canônico (Erk1), e um membro da distinta subfamília Erk7 MAPK, chamada Erk2 [16]. Ambos os genes têm o motivo de fosforilação dupla MAP2K (sequência T [DE] Y). Encontramos um único MAP2K, junto com três genes MAP3K e quatro genes MAP4K, um de cada das subfamílias FRAY, MST, PAKA e YSK primordiais. O MAP2K único indica que todas as quinases a montante afunilam através deste único gene, ou que existem vias alternativas que contornam MAP2K, para as quais Giardia pode ser um modelo tratável. Dois dos três MAP3Ks são homólogos de S. cerevisiae Cdc15, envolvido na rede de saída mitótica e citocinese. Estes possuem ortólogos em plantas e outros eucariotos basais, mas não em animais. As funções distintas de Erk1 e Erk2 são destacadas por sua localização: nos trofozoítos vegetativos, Erk1 foi encontrado no disco e corpo mediano, enquanto Erk2 estava nos núcleos e flagelos caudais [16] (Figura 1). Durante a encistação, seus níveis de expressão permaneceram os mesmos, mas sua fosforilação e atividade da quinase foram reduzidas e Erk2 tornou-se mais citoplasmático (Tabela 1).

Ciclo de célula

Giardia tem um complemento total de quinases básicas do ciclo celular (Tabela 2). Estes incluem três cinases CDK1 / CDC2, juntamente com três ciclinas mitóticas (A / B), um CDK5 putativo, três CDKs não classificáveis ​​e dois genes semelhantes à ciclina não classificáveis, bem como um homólogo de Wee1. Também encontramos cópias únicas das quinases mitóticas Aurora (AurK) e Polo (PLK), que são ativadas na fase M e envolvidas na função do centrossoma ou cinetocoro, montagem do fuso e citocinese. Giardia AurK é exclusivamente nuclear durante a interfase. Durante a prófase mitótica, é ativada por fosforilação e migra para os pólos do fuso mitótico, bem como para os corpos medianos e bastonetes paraflagelares anteriores (PFRs Figura 1) [52]. Começando na metáfase, o pAurK se localiza no disco de apego dos pais, que persiste até que os discos filhos sejam desenvolvidos. Os inibidores de AurK diminuíram o crescimento e levaram a citocinese anormal. Assim, AurK tem um Giardia- localização específica e função provável, além de sua função universal e localização no fuso mitótico. Em células de mamíferos, Aur quinase é centrossomal, mas curiosamente, em Chlamydomonas gametas, está localizado nas pontas flagelares ou locais de adesão [53].

Expansão e divergência do GiardiaFamília Nek quinase

A família Nek quinase é universal em eucariotos, e seus membros regulam a entrada na mitose [54] e o comprimento do flagelo [55, 56]. A família Nek é expandida tanto em ciliados quanto em escavações, com 40 genes em Tetrahymena e 11 a 25 em tripanossomas [27, 57], em comparação com apenas 11 em humanos e um em levedura. Giardia a cepa WB tem 198 Neks massivos, constituindo 71% de seu kinome e cerca de 3,7% de todo o proteoma.Estes têm sequências notavelmente divergentes (Figura 5 Arquivo adicional 5) todos, exceto 56, perderam resíduos catalíticos críticos e são provavelmente pseudoquinases, e muitos mostram similaridade de sequência detectável apenas para outros Neks, mas não para modelos de domínio de quinase padrão. A maioria retém uma série de motivos estruturais (arquivos adicionais 6 e 7), mas são tão divergentes na sequência geral que nossa contagem pode não ser precisa.

Árvore filogenética de sequências de domínio de Nek quinase, a partir do alinhamento S1. A maioria das quinases tem ortólogos próximos entre as cepas (WB é mostrado em azul escuro, GS em verde e P15 em laranja), mas têm muito pouca semelhança com ortólogos. Ramos mais profundos de subfamílias definidas também são marcados por arcos e coloridos: Nek1 (azul claro), GL1 (ciano), GL2 (vermelho claro), GL3 (verde brilhante) e GL4 (roxo). Consulte o arquivo adicional 5 para obter uma versão expandida e rotulada desta árvore.

Os Neks são evolutivamente dinâmicos, sendo responsáveis ​​por todo o ganho e perda de quinase entre Giardia Deformação. Enquanto 99,7% de todos os 4.570 genes WB 'centrais' são encontrados nas cepas GS e P15 [10], os Neks são uma das quatro famílias (junto com a proteína 21.1, HCMP (proteína de membrana de cisteína alta) e VSP (proteína de superfície variável / variante ) genes) que são altamente expandidos e polimórficos entre as cepas e podem ser responsáveis ​​por características específicas da cepa. Setenta e nove Neks (30%) são encontrados em apenas uma cepa e outros 31 (12%) são encontrados em duas, mas estão ausentes na terceira, devido à duplicação e perda de genes (arquivo adicional 8). Dentro dos Neks, dois padrões emergem: a maioria é altamente conservada e evolui lentamente entre as cepas, enquanto um subconjunto é responsável pela maioria dos ganhos e perdas de genes.

Dos Neks, 74% (147 de 198 genes em WB) não têm parálogos próximos (rotulados como 'Nek-Não classificado'). Sua identidade de sequência média para o próximo Nek mais próximo é de apenas 34% no domínio da quinase, e para os 10% mais divergentes de Neks, isso cai para apenas 20%. Isso é menor do que os domínios da quinase ortóloga entre humanos e Giardia (40%), e ainda menos do que o de muitas quinases de diferentes famílias, implicando uma rápida diversificação na sequência e na função. No entanto, eles são bem conservados entre as cepas 89% (131) têm ortólogos em todas as três cepas, e suas sequências são apenas ligeiramente menos conservadas do que aquelas das quinases centrais (identidade média do domínio da quinase de 88% entre WB e P15, 78% entre WB e GS, em comparação com 92% e 84% para os domínios principais da quinase), indicando que esses Neks podem ser bastante antigos, em vez de evoluir muito rapidamente.

Classificamos 51 Neks (26% de Neks em WB) em 5 subfamílias, com base na similaridade de sequência do domínio da quinase: Nek1, que é conservado em todos os eucariotos, e GL1 a GL4, que são Giardia-específico. GL1 a GL3 são subfamílias de tamanho moderado com 3 a 11 membros cada. GL4 é dramaticamente diferente. Possui 32 membros no WB, mas apenas 5 desses genes são cópias únicas em cada cepa. No total, 87 genes nas três cepas não são ortólogos de três vias; 53 deles são encontrados em 10 grupos específicos de cepas. O rápido turnover de GL4 Neks é ainda destacado por nossa descoberta de 30 pseudogenes de quinase adicionais na cepa WB (estes não são contados no kinome geral), dos quais 29 são de GL4. Além disso, cinco pares de GL4 Neks são duplicatas muito recentes, com mais de 98% de identidade dentro dos pares. Em resumo, o Giardia A expansão de Nek inclui membros altamente divergentes, mas evolutivamente estáveis, famílias pequenas e amplamente estáveis, e a família GL4, que está mudando a uma taxa notável.

Do Giardia Neks, 67% (133 de 198) têm um domínio de quinase amino-terminal, seguido por uma matriz variável de repetições de anquirina (1 a 26 repetições, mediana de 8), que não são encontradas em quaisquer quinases centrais. Eles também são evolutivamente móveis, com membros relacionados da maioria das subfamílias tendo ganho ou perdido essas repetições. Eles são divergentes na sequência, mas formam uma subclasse distinta, caracterizada por um motivo TALM de quatro aminoácidos no início e um E conservado no final (arquivo adicional 9). A maioria dos outros Giardia Repetições de TALM-anquirina (TA) são encontradas em membros da família da proteína 21.1 mal descrita, que têm uma estrutura semelhante a Neks, mas não possuem o domínio de quinase amino-terminal. Ambas as famílias também têm alguns membros com regiões coiled-coil e domínios RING de terminal carboxi (arquivo adicional 1, texto S1 no arquivo adicional 2), e ambos são grandes e evolutivamente dinâmicos. Nosso exame das regiões amino-terminais das proteínas 21.1 revelou domínios quinase muito divergentes em 20, e domínios semelhantes à quinase crípticos podem existir em outras proteínas 21.1 que estão além do nosso limite de detecção confiável. A repetição TA é amplamente específica para Giardia: 59% dos 3.355 Giardia As repetições de anquirina têm um motivo TALM exato, em comparação com apenas 2,6% (54 de 2.028) em humanos e 0,5% (24 de 4.602) em T. vaginalis. Curiosamente, o único outro organismo com muitas repetições de TA é o cogumelo Coprinopsis cinerea [58], que tem 73 proteínas contendo 271 repetições de TA, embora nenhuma delas tenha domínios de quinase. Alguns são agrupados cromossomicamente, mas suas funções são desconhecidas (GM, não publicado).

Expressão e localização de proteínas fosforiladas em Giardia

As proteínas de sinalização geralmente ganham especificidade pela localização perto de seus alvos. Isso é especialmente relevante para Giardia com seu citoesqueleto único que é remodelado durante a diferenciação. Além disso, as proteínas quinases caracterizadas até o momento localizam-se em estruturas citoesqueléticas distintas que são específicas para Giardia e cujas funções permanecem obscuras. Nós caracterizamos as principais fosfoproteínas por western blot e imunofluorescência, usando anticorpos contra fosfoserina (pSer), fosfotreonina (pThr) e pTyr (Figuras 3 e 4). Apesar da falta de tirosina quinases clássicas em Giardia, os immunoblots mostraram forte coloração de pTyr, juntamente com pSer e pThr. Isso corrobora um estudo anterior [11]. Imunofluorescência de Giardia trofozoítos com os mesmos anticorpos revelaram padrões distintos para cada fosfoaminoácido (Figura 4). Consistente com a ausência prevista de quinases receptoras em Giardia, não observamos coloração na membrana plasmática. A forte coloração de pSer foi observada nas porções intracelular e extracelular de três dos quatro pares de axonemas flagelares (anterior, posterior-lateral e caudal Figura 1), bem como no envelope nuclear, com coloração do flagelo ventral e nuclear mais fraca. Em contraste, o pThr tingiu mais fortemente o par restante (ventral) de flagelos, que batiam em um padrão de onda senoidal em trofozoítos ligados e nadadores [6]. Também tingiu a borda do disco de fixação ventral e as regiões polares dos núcleos, possivelmente os nucléolos [59]. Em contraste com a localização amplamente citoesquelética de pSer e pThr, a coloração de pTyr foi concentrada nos núcleos. É digno de nota que as proteínas modificadas com pSer e pThr tendem a se localizar nas porções intracelulares e extracelulares dos axonemas flagelares. Em contraste, as quinases Ser / Thr em estudos publicados e duas das quatro quinases Nek tendem a se localizar em estruturas associadas ao flagelo intracelular (Figuras 1 e 6, ver abaixo). Assim, parte da fosforilação real pode ocorrer nos corpos basais, e as proteínas fosforiladas são então incorporadas aos flagelos.

Imunolocalização de Neks em Giardia trofozoítos. (uma) Giardia trofozoítos que expressam Neks ativos putativos marcados com hemaglutinina (HA) 5375, 16279, 92498 e 101534 foram sondados com um anticorpo anti-hemaglutinina-FITC. Cada Nek tinha um padrão de localização citoesquelético (5375, 16279, 92498 e 101534) ou citoplasmático (101534) distinto. Além dos PFRs, dois Neks localizados no disco de fixação ventral e nos corpos medianos (16279 e 92498). Um desenho animado do trofozoíto ilustra ainda mais cada localização específica de Nek. Os núcleos são rotulados com DAPI e uma imagem de contraste de interferência diferencial (DIC) de cada trofozoíto é mostrada na extremidade direita. Barra de escala = 5 μm. (b) Giardia trofozoítos que expressam Nek 15409 e Nek 15409 de comprimento total com a repetição de anquirina deletada foram sondados com um anticorpo anti-AU1 e visualizados com microscopia confocal. As imagens do Z-stack, mostradas no topo e à direita de cada imagem, mostram que a exclusão das repetições da anquirina alterou a distribuição de 15409 de apenas citoplasmática para uma combinação de citoplasmática associada à membrana plasmática. Barra de escala = 5 μm.

Expressão e localização de quinases individuais

Perfil de expressão gênica por análise serial de expressão gênica (SAGE) [60] confirma a expressão para 233 quinases, incluindo 156 Neks (arquivo adicional 1). Vinte e sete quinases são categorizadas como diferencialmente expressas ao longo do ciclo de vida, das quais 12 quinases, todas Neks, foram reguladas positivamente em trofozoítos e encizoítas (células encistantes), e 9 Neks e 4 outras quinases foram seletivamente expressas em cistos e excizoítas (células excisadas ) (Tabela 3). No geral, Neks são ligeiramente menos prováveis ​​de serem expressos do que outros genes ou quinases, e ligeiramente mais prováveis ​​de serem diferencialmente ou altamente expressos, embora as diferenças não sejam estatisticamente significativas. Esses dados sugerem que a maioria dos Neks são expressos e funcionais, apesar de sua evolução incomum.

Para começar a entender as funções dos Neks em Giardia, marcamos com epítopo cinco Neks sob seus próprios promotores. Observamos um padrão de localização diferente para cada proteína (Figura 6). Orf_5375 (subfamília Nek-GL2) localizada proeminentemente nos PFRs dos flagelos anterior e posterior-lateral e fracamente nos flagelos caudais. Orf_16279 (Nek-Unclassified) localizado de forma proeminente na metade externa do disco de inserção ventral, na região dos corpos basais e nos flagelos caudal e póstero-lateral, mas não nos PFRs. Da mesma forma, Orf_92498 (Nek1) localizado nos corpos basais / região centrossoma, além de três pares de PFRs, bem como nos corpos medianos, pilhas desorganizadas de microtúbulos exclusivos de Giardia, cujas funções são desconhecidas [6] (Figura 1). Orf_101534 (Nek-GL4) localizado no PFR póstero-lateral e nas regiões perinucleares e citoplasma. Em contraste, Orf_15409 (Nek-Unclassified), que tem quatro repetições de anquirina e é cataliticamente inativo (Arquivo adicional 1), localizado difusamente em grande parte do citoplasma e em uma região anterior que pode estar associada à membrana plasmática (Figura 6b). A deleção da repetição de anquirina mais conservada de Orf_15409 (aminoácidos 351 a 386) resultou em relocalização parcial para a membrana plasmática (Figura 6b).

A localização distinta desses cinco Neks provavelmente reflete suas funções específicas nos diferentes compartimentos subcelulares. A localização basal do corpo / centrossomal do Nek1 conservado e do Nek-Não classificado é semelhante aos padrões observados em humanos (Nek2, Nek6, Nek7 e Nek9), Chlamydomonas (Fa2p), Trypanosoma brucei (TbNRKC), e Tetrahymena thermophila (NRK17p e NRK20p) [55, 57, 61]. o Giardia corpos basais flagelares tornam-se pólos fusiformes durante a mitose, sugerindo que esses Neks podem estar envolvidos na regulação da progressão mitótica. Em outros organismos, Neks também foram localizados em axonemas. Por exemplo, Nek8 humano e Chlamydomonas Fa2p são encontrados na região proximal dos cílios primários ou flagelos, respectivamente, e Tetrahymena thermophila NRK1 e NRK30p estão localizados em vários tipos de cílios, com os últimos três envolvidos na regulação do comprimento dos flagelos / cílios [57, 62, 63]. Todos os quatro Neks ativos (Orf_5375, Orf_16279, Orf_92498 e Orf_101534) estão localizados em diversos Giardia estruturas citoesqueléticas e podem estar envolvidas na regulação da montagem flagelar, batimento ou fixação celular [64]. Em contraste, o Nek inativo (Orf_15409) é encontrado no citoplasma, o que pode indicar uma perda correlacionada de associação citoesquelética e atividade catalítica.


Descobertas clínicas

  • Anorexia
  • Flatulência (gás)
  • Estômago virado ou náuseas / vômitos
  • Cólicas abdominais ou estomacais
  • Diarreia aquosa (não sanguinolenta), malcheirosa
  • Fezes gordurosas que tendem a flutuar
  • Desidratação (perda de fluidos)

A giardíase pode causar perda de peso e falha na absorção de gordura, lactose, vitamina A e vitamina B12. Em crianças, a giardíase grave pode atrasar o crescimento físico e mental, retardar o desenvolvimento e causar desnutrição


Conclusão

As mitocôndrias de animais e fungos sofrem ciclos constantes de divisão e fusão durante o ciclo celular. Aqui, mostramos que os MROs minimalistas conhecidos como mitossomas simplificaram dramaticamente sua dinâmica. No protista anaeróbico G. intestinalis, os mitossomos se dividem apenas durante a mitose e permanecem estáveis ​​durante a interfase. Em contraste com as mitocôndrias, propomos que os mitossomas não se fundem, mas, assim como as mitocôndrias, mantêm uma conexão estreita com o ER. Propomos que o aproveitamento da divisão nuclear e mitossomal é uma estratégia desenvolvida para contornar a falta de fusão mitocondrial.


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Cochran, W. G. Técnicas de Amostragem (John Wiley and Sons, Londres, 1977)


Capítulo 8: Recuperação de Parasitas: Métodos de Cultura, Inoculação Animal e Xenodiagnóstico

Protozoários de sistemas de cultura. (Superior esquerdo) Entamoeba histolytica / E. trofozoíto dispar de meio líquido contendo amido de arroz (observe que não há eritrócitos definitivos dentro do citoplasma, de modo que não é possível diferenciar o patógeno verdadeiro, E. histolytica, do não patógeno, E. dispar). (Superior direito) Trofozoíto de Naegleria fowleri de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe que este trofozoíto foi corado). (Inferior esquerdo) Acanthamoeba spp. trofozoíto de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe o acantapodia pontiagudo). (Inferior direito) Acanthamoeba spp. cistos de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe a aparência da parede hexagonal dupla. doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f1

Figura 8.1

Protozoários de sistemas de cultura. (Superior esquerdo) Entamoeba histolytica / E.trofozoíto dispar de meio líquido contendo amido de arroz (observe que não há eritrócitos definitivos dentro do citoplasma, de modo que não é possível diferenciar o patógeno verdadeiro, E. histolytica, do não patógeno, E. dispar). (Superior direito) Trofozoíto de Naegleria fowleri de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe que este trofozoíto foi corado). (Inferior esquerdo) Acanthamoeba spp. trofozoíto de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe o acantapodia pontiagudo). (Inferior direito) Acanthamoeba spp. cistos de cultura de ágar não nutriente com cobertura bacteriana (observe a aparência da parede hexagonal dupla. doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f1

Estágio flagelado de Naegleria fowleri. (Superior) Quando colocado em água destilada (teste de enflagelação), N. fowleri, o agente causal da meningoencefalite amebiana primária, sofre transformação em um flagelado em forma de pêra, geralmente com dois flagelos, mas ocasionalmente com três ou quatro flagelos o estágio do flagelado é um estágio de não alimentação temporária e geralmente reverte para o estágio de trofozoíta. (Inferior) Estágio flagelado de Naegleria (os microtúbulos são destacados em verde, os corpos basais em vermelho e o DNA é corado em azul). (Cortesia de Lillian Fritz-Laylin de http://genome.jgi-psf.org/Naegr1/Naegr1.home.html.) Doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f2

Figura 8.2

Estágio flagelado de Naegleria fowleri. (Superior) Quando colocado em água destilada (teste de enflagelação), N. fowleri, o agente causal da meningoencefalite amebiana primária, sofre transformação para um flagelado em forma de pêra, geralmente com dois flagelos, mas ocasionalmente com três ou quatro flagelos o estágio do flagelo é um estágio de não alimentação temporária e geralmente reverte para o estágio de trofozoíta. (Inferior) Estágio flagelado de Naegleria (os microtúbulos são destacados em verde, os corpos basais em vermelho e o DNA é corado em azul). (Cortesia de Lillian Fritz-Laylin de http://genome.jgi-psf.org/Naegr1/Naegr1.home.html.) Doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f2

Ilustração do sistema de cultura InPouch TV para Trichomonas vaginalis. De cima para baixo: (1) introdução da amostra na câmara superior contendo uma pequena quantidade de meio (2) aplicação de um suporte de plástico para visualização do microscópio antes de expressar o meio na câmara inferior (opcional) (3) transferência de um pequena quantidade de meio na câmara superior para a câmara inferior (4) rolando para baixo na câmara superior e selando-a com a fita (5) moldura de visualização de plástico usada para imobilizar o meio na bolsa para exame ao microscópio. doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f3

Figura 8.3

Ilustração do sistema de cultura InPouch TV para Trichomonas vaginalis. De cima para baixo: (1) introdução da amostra na câmara superior contendo uma pequena quantidade de meio (2) aplicação de um suporte de plástico para visualização do microscópio antes de expressar o meio na câmara inferior (opcional) (3) transferência de um pequena quantidade de meio na câmara superior para a câmara inferior (4) rolando para baixo na câmara superior e selando-a com a fita (5) moldura de visualização de plástico usada para imobilizar o meio na bolsa para exame ao microscópio. doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f3

Sistema de cultura InPouch TV para Trichomonas vaginalis. Observe a bolsa, os cotonetes e o suporte de plástico da bolsa para exame microscópico do conteúdo da bolsa. doi: 10.1128 / 9781555819002.ch8.f4


Agradecimentos

Agradecemos a M. Marcincikova pelo excelente suporte técnico M. Embley, M. Müller e S. Ralph pelos comentários sobre o manuscrito e Z. Voburka da Academia Tcheca de Ciência para microsequenciamento de proteínas. Este trabalho foi apoiado pela Grant Agency da República Tcheca Grant 204/04/0435 (para J.T.), um Fogarty International Research Collaboration Award (para J.T. e Miklos Müller), e uma bolsa do Australian Research Council (para T.L.). O uso de informações de sequenciamento de G. lamblia (www.mbl.edu/Giardia) e T. vaginalis (www.tigr.org/tdb/e2k1/tvg) bancos de dados de genoma são reconhecidos.


Quão intimamente relacionados estão dois parasitas Giardia intestinalis e Trichomonas vaginalis? - Biologia

O surgimento de células eucarióticas foi importante na evolução da vida multicelular complexa. Mas como os eucariotos evoluíram?

Hoje, tanto eucariotos quanto procariontes ainda existem. Os eucariotos podem ser encontrados de várias formas como organismos unicelulares chamados protistas e como sistemas organizados em organismos multicelulares. As células de todas as plantas, animais e fungos são eucariotos. Os procariontes vivem nas duas principais divisões das bactérias - as eubactérias e as arquebactérias. Como em épocas anteriores, os procariotos têm menos probabilidade do que os eucariotos de formar organismos maiores do que uma única célula.

Não apenas as células eucarióticas permitem que organismos maiores e mais complexos sejam feitos, mas elas próprias são maiores e mais complexas do que as células procarióticas. Quer as células eucarióticas vivam individualmente ou como parte de um organismo multicelular, suas atividades podem ser muito mais complexas e diversificadas do que as de suas contrapartes procarióticas. Em procariotos, todos os eventos celulares internos ocorrem dentro de um único compartimento, o citoplasma. Os eucariotos contêm muitos compartimentos subcelulares chamados organelas. Mesmo os eucariotos unicelulares podem apresentar notável complexidade funcional, alguns têm características tão especializadas e diversas como cerdas sensoriais, peças bucais, feixes contráteis semelhantes a músculos ou dardos penetrantes.

Muitas evidências do registro fóssil e da biologia molecular indicam que os eucariotos evoluíram dos procariontes. Mas os detalhes dessa importante transição são difíceis de rastrear, tendo acontecido há tanto tempo que a maioria das evidências dela desapareceu. Uma maneira de conceber cenários plausíveis para a evolução dos eucariotos é explorar os vestígios de sistemas mais antigos que permanecem nas células existentes e reconstruir como as coisas poderiam ter acontecido. Especialmente úteis para este propósito são muitos dos eucariotos unicelulares cujos estilos de vida em algumas formas se assemelham às de seus antepassados ​​procarióticos, e que se acredita estarem entre os primeiros eucariotos que ainda existem. Os estudos de tais organismos levaram a duas teorias principais, que não são mutuamente exclusivas, que procuram explicar como os eucariotos evoluíram. Evidências recentes sugerem que um organismo unicelular, o parasita intestinal Giardia lamblia, representa a primeira linha de descendência das células ancestrais que assumiram características eucarióticas. Como tal, um estudo da biologia celular deste organismo "elo perdido" pode ajudar a responder a muitas perguntas sobre como as coisas poderiam ter sido no início da história da vida.

Procariontes e Eucariotos
Em um nível muito fundamental, eucariotos e procariontes são semelhantes. Eles compartilham muitos aspectos de sua química, fisiologia e metabolismo básicos. Ambos os tipos de células são construídos e usam tipos semelhantes de moléculas e macromoléculas para realizar seu trabalho celular. Em ambos, por exemplo, as membranas são construídas principalmente de substâncias gordurosas chamadas lipídios, e as moléculas que realizam o trabalho biológico e mecânico da célula são chamadas de proteínas.

Os eucariotos e procariontes usam o mesmo sistema de retransmissão química para fazer proteínas. Um registro permanente do código de todas as proteínas que a célula exigirá é armazenado na forma de DNA. Como o DNA é a cópia principal da composição genética da célula (ou do organismo), as informações que ele contém são absolutamente cruciais para a manutenção e perpetuação da célula. Como que para salvaguardar esse arquivo, a célula não usa o DNA diretamente na síntese de proteínas, mas, em vez disso, copia as informações em um modelo temporário de RNA, um parente químico do DNA. Tanto o DNA quanto o RNA constituem uma "receita" para as proteínas da célula. A receita especifica a ordem em que os aminoácidos, as subunidades químicas das proteínas, devem ser agrupados para formar a proteína funcional. A síntese de proteínas em eucariotos e procariontes ocorre em estruturas chamadas ribossomos, que são compostas de RNA e proteínas. Isso ilustra uma maneira pela qual procariotos e eucariotos são semelhantes e destaca a ideia de que as diferenças entre esses organismos são frequentemente arquitetônicas. Em outras palavras, ambos os tipos de células usam os mesmos tijolos e argamassa, mas as estruturas que constroem com esses materiais variam dramaticamente.

A célula procariótica pode ser comparada a um apartamento estúdio: uma sala de estar de um cômodo que tem uma área de cozinha contígua à sala de estar, que se transforma em um quarto à noite. Todos os itens necessários cabem em seus próprios locais em uma sala. Há um tapete lavável todos os dias. A temperatura ambiente é confortável - nem muito quente, nem muito fria. As condições são adequadas para tudo o que deve ocorrer no apartamento, mas não são ideais para nenhuma atividade específica. De maneira semelhante, todas as funções do procarioto cabem em um único compartimento. O DNA está ligado à membrana da célula. Os ribossomos flutuam livremente em um único compartimento. A respiração celular - o processo pelo qual os nutrientes são metabolizados para liberar energia - é realizada na membrana celular, não havendo um compartimento dedicado para a respiração.

Uma célula eucariótica pode ser comparada a uma mansão, onde salas específicas são projetadas para atividades particulares. A mansão é mais diversificada nas atividades que apóia do que o apartamento-estúdio. Pode acomodar hóspedes com conforto durante a noite e apoiar atividades sociais para adultos na sala de estar ou jantar, para crianças na brinquedoteca. O quarto do bebê é aconchegante e decorado com cores vivas e um carpete macio e espesso. A cozinha tem fogão, geladeira e piso frio. Os itens são mantidos na sala que for mais adequada para eles, em condições ideais para as atividades naquela sala específica.

Uma célula eucariótica se assemelha a uma mansão por ser subdividida em vários compartimentos. Cada compartimento é fornecido com itens e condições adequados para uma função específica, mas os compartimentos trabalham juntos para permitir que a célula se mantenha, se replique e execute atividades mais especializadas.

Olhando mais de perto, encontramos três aspectos estruturais principais que diferenciam procariotos de eucariotos. A diferença definitiva é a presença de um núcleo verdadeiro (eu) (karyon) na célula eucariótica. O núcleo, um invólucro de membrana dupla, sequestra o DNA em seu próprio compartimento e o mantém separado do resto da célula. Em contraste, esse tipo de alojamento não é fornecido para o DNA de um procarioto. Em vez disso, o material genético é amarrado à membrana celular e pode flutuar livremente no interior da célula. É interessante notar que o DNA dos eucariotos está ligado à membrana nuclear, de uma forma que lembra a ligação do DNA procariótico à membrana externa da célula.

Embora o DNA desempenhe a mesma função crítica em ambos os tipos de células, a presença ou ausência de um núcleo tem algumas implicações profundas para a forma que a molécula assume e a maneira como o molde de DNA acaba sendo traduzido em proteína. Em procariontes, quase todas as informações genéticas do organismo são carregadas em um único pedaço circular de DNA. O material genético da célula eucariótica, por outro lado, consiste em vários pedaços lineares de DNA. O número exato de segmentos lineares de DNA varia de espécie para espécie. Geralmente, o DNA em uma célula eucariótica se parece com um emaranhado de fios soltos, exceto durante a divisão celular, quando o DNA fica firmemente embrulhado nas estruturas chamadas cromossomos. A membrana que envolve o núcleo da célula eucariótica se quebra durante a divisão celular e reaparece intacta nas células filhas, um núcleo em cada filha.

Não apenas a configuração física do DNA é diferente nos dois tipos de células, mas eles também diferem no número de conjuntos de instruções genéticas que contêm. Uma célula procariótica contém apenas uma única representação da informação genética que o organismo necessita. Nessa condição, a célula é considerada haplóide. Em contraste, a maioria dos eucariotos tem dois conjuntos de informações genéticas durante algum estágio de suas vidas. As células que contêm dois conjuntos de informações genéticas são chamadas de diplóides. Alguns eucariotos simples passam apenas por um estágio diplóide fugaz, mas os eucariotos superiores passam a maior parte de suas vidas como células diplóides. Organismos multicelulares podem incluir células eucarióticas diplóides e haplóides. A maioria das células do corpo do organismo são diplóides. Os gametas - óvulos e esperma - são eucariotos haplóides. Durante a fertilização, dois gametas haplóides se fundem, restaurando assim a condição diplóide do embrião resultante. Ter dois conjuntos de informações genéticas oferece aos eucariotos certas vantagens sobre os procariontes, e o surgimento do estado diplóide foi um marco importante na evolução.

O núcleo é um dos vários compartimentos especializados da célula eucariótica. Outros compartimentos, chamados organelas, acomodam várias outras atividades celulares. Os procariontes não têm compartimentos subcelulares, e isso constitui a segunda maior distinção entre os dois tipos de células.

As organelas dos eucariotos incluem compartimentos delimitados por membrana, como o lisossoma, um compartimento altamente ácido no qual as enzimas digestivas decompõem os alimentos. O retículo endoplasmático é um sistema interconectado de membranas em que os lipídios são sintetizados e algumas proteínas são quimicamente modificadas. O retículo endoplasmático se comunica com outro sistema de membrana chamado aparelho de Golgi, onde as proteínas são posteriormente processadas e marcadas para transporte para vários locais dentro ou fora da célula. As células eucarióticas contêm centros especiais de energia. Nas células animais, essas são as mitocôndrias, as células vegetais têm cloroplastos e também as mitocôndrias. Dentro das mitocôndrias, os compostos orgânicos são decompostos para gerar a molécula rica em energia trifosfato de adenosina (ATP). O ATP é uma espécie de combustível molecular que, quando degradado, fornece energia para muitas das reações bioquímicas da célula. O ATP também é gerado nos cloroplastos das células vegetais, mas a energia para sua síntese deriva da luz solar, processo que também acumula carboidratos e libera oxigênio.

A terceira característica distintiva entre os dois tipos de células é a maneira como a célula mantém sua forma. As células, como a maioria dos animais, possuem esqueletos. E, como em muitos animais, o esqueleto celular pode ser interno ou externo. Os procariontes têm um esqueleto externo - uma parede forte de moléculas de açúcar e proteínas reticuladas envolve a membrana celular e é tornada rígida pela pressão de turgescência da célula. A parede dá suporte estrutural. Também é impermeável a muitas macromoléculas e, portanto, ajuda a manter uma barreira entre as substâncias dentro e fora da célula. Esse esqueleto externo limita a capacidade da célula procariótica de se mover. Também limita a comunicação entre as células, uma condição que provavelmente é responsável pela capacidade amplamente diminuída dos procariotos de formar organismos multicelulares.

O esqueleto da célula eucariótica é interno e é formado por um complexo de túbulos proteicos denominado citoesqueleto. A colocação interna do citoesqueleto significa que a superfície exposta ao ambiente é uma membrana flexível em vez de uma parede celular rígida. A combinação de uma estrutura interna e uma membrana externa não rígida expande o repertório de movimento e atividade da célula eucariótica. Por exemplo, a célula pode se contrair, assim como uma célula muscular. (As células da maioria das plantas superiores têm uma parede ainda mais rígida do que a parede procariótica. As paredes das células vegetais são química e estruturalmente muito diferentes das paredes procarióticas, provavelmente são uma adaptação posterior e independente.)

Do jeito que era
Dois bilhões de anos atrás, antes do surgimento dos primeiros eucariotos, a vida na Terra era muito diferente do que é hoje. Os organismos que povoam a Terra eram procariontes, semelhantes às bactérias modernas. Mas, ao contrário da vasta maioria dos organismos modernos, mesmo os procariontes modernos, esses organismos primordiais não usavam oxigênio. O oxigênio livre era escasso na Terra primordial, e os primeiros organismos desenvolveram um metabolismo baseado em enxofre e sulfeto de hidrogênio (H2S) em vez de oxigênio e água (H2O). Muitos desses organismos eram anaeróbios obrigatórios: não apenas deixavam de fazer uso do oxigênio, mas também não podiam sobreviver em sua presença.

Como as células eucarióticas, bem como os procariotos aeróbicos modernos, evoluíram a partir desses precursores anaeróbicos? Devido à importância da célula eucariótica na evolução de organismos vivos complexos, a questão é de grande interesse. Duas teorias oferecem explicações concorrentes. Embora as teorias difiram dramaticamente, elas não são mutuamente exclusivas. Podemos imaginar um cenário em que ambos os mecanismos contribuem para a evolução dos eucariotos.

Você é o que você come
A primeira teoria proposta por Lynn Margulis, da Universidade de Massachusetts em Amherst e outros, sugere que um aumento dramático no oxigênio atmosférico e a transição de anaeróbio para aeróbio foram de importância primária na condução da evolução dos eucariotos. De acordo com essa teoria, uma população de bactérias primitivas adquiriu a capacidade de fotossintetizar. Organismos fotossintéticos podem usar a energia da luz para converter dióxido de carbono em açúcar. O açúcar é então usado como combustível para fazer ATP, que por sua vez fornece energia para muitos outros processos bioquímicos. Um subproduto da fotossíntese é o oxigênio e, portanto, uma consequência da evolução das bactérias fotossintéticas foi um aumento esmagador do oxigênio atmosférico. A crescente abundância de oxigênio representava um problema para as criaturas que não podiam fazer uso metabólico dele. O oxigênio era tóxico para esses anaeróbios obrigatórios, e sua sobrevivência continuada dependia do desenvolvimento da capacidade de usá-lo, ou pelo menos de tolerá-lo.

Organismos que se adaptaram ao oxigênio o fizeram com relativa rapidez, de acordo com a teoria de Margulis. Margulis propõe que um organismo anaeróbio engolfou um organismo aeróbio menor que se acredita ser o ancestral das mitocôndrias. Os aeróbios ingeridos não foram digeridos, mas viveram dentro de seu novo hospedeiro. Daí nasceu um arranjo mutuamente benéfico, onde o pequeno aeróbio converteria o oxigênio em ATP para o benefício energético de ambas as células. O hospedeiro, portanto, tornou-se tolerante ao oxigênio. Por sua vez, o organismo hospedeiro acabou desempenhando outras funções, como a síntese de proteínas, para o aeróbio.

Os vestígios dessa união primitiva parecem viver até hoje nos eucariotos modernos. As mitocôndrias das células vegetais e animais e os cloroplastos das plantas têm muitas características que sugerem que podem ter descendido de organismos semelhantes a bactérias de vida livre. Ambas as organelas têm seu próprio DNA e ambas se replicam independentemente da divisão celular.

A teoria avançada por Margulis postula que outras organelas eucarióticas foram derivadas de forma semelhante de organismos de vida livre que se tornaram simbióticos com organismos maiores. Por exemplo, o flagelo que ajuda a impulsionar alguns eucariotos por seu movimento de chicotada pode ter evoluído de um organismo primitivo, unicelular e em forma de espiral, como um espiroqueta, que se tornou associado a um hospedeiro maior. O termo "endossimbiose serial" é usado para descrever a incorporação sucessiva de células menores em um hospedeiro maior para o benefício de ambos os organismos.

Duas conclusões principais decorrem da hipótese de evolução endossimbiótica. Uma consequência é que a transição de procarioto para eucarioto teria sido relativamente rápida na escala de tempo evolutiva. Além disso, se a evolução eucariótica ocorreu por endossimbiose, então os primeiros eucariotos devem ter sido aeróbicos. Eucariotos anaeróbios existem, ainda hoje, mas a teoria endossimbiótica sustentaria que os eucariotos aeróbios evoluíram primeiro, alguns destes perderam suas mitocôndrias como resultado de pressões de seleção adicionais, dando origem posteriormente aos eucariotos anaeróbios. Ambos os pontos geraram alguma controvérsia, e voltaremos a eles mais tarde.

Um aspecto importante das células eucarióticas que não é abordado por um mecanismo endossimbiótico é a origem do núcleo da célula e de outros sistemas definidos por membrana, como o retículo endoplasmático e o aparelho de Golgi. Thomas Cavalier-Smith, da University of British Columbia em Vancouver, propôs uma segunda teoria que visa abordar as origens das organelas delimitadas por membrana, bem como dos eucariotos anaeróbios e aeróbios.

Cavalier-Smith sugere que os primeiros procariotos foram colocados no caminho para se tornarem eucariotos quando perderam a capacidade de fabricar ácido murâmico, um componente essencial da parede celular da maioria das bactérias. A perda desse açúcar faz com que a parede celular rígida se quebre, deixando a célula sem suporte. As células nessa situação são vulneráveis ​​a ataques externos e correm o risco de espalhar seu conteúdo no espaço extracelular. Os organismos desenvolveram duas estratégias para lidar com a perda de ácido murâmico e, portanto, divergiram em duas linhas descendentes subsequentes. Um novo grupo de procariotos, agora chamado de arquebactérias, desenvolveu um novo tipo de parede celular rígida construída sem ácido murâmico. As células que não desenvolveram um novo tipo de parede desenvolveram um esqueleto proteico interno, ou seja, um citoesqueleto. É neste ponto, de acordo com Cavalier-Smith, que o eucarioto moderno teve seu início.

No esquema de Cavalier-Smith, a etapa chave na evolução dos eucariotos é o desenvolvimento do citoesqueleto. Uma vez que a integridade estrutural da célula é mantida pelo citoesqueleto, a célula pode se dar ao luxo de ter uma membrana externa fluida. O aumento da fluidez da membrana externa permitiu o desenvolvimento de dois mecanismos, denominados endocitose e exocitose, que prepararam o caminho para todas as etapas subsequentes da evolução eucariótica.

Endocitose e exocitose são processos complementares pelos quais as substâncias podem entrar (endocitose) ou sair (exocitose) da célula através de vesículas delimitadas por membrana. Na endocitose, o material que chega entra na célula em uma vesícula formada pela invaginação de um pequeno segmento da membrana externa que a invaginação se arranca e se fecha para formar uma vesícula, que carrega seu conteúdo para o interior da célula. No processo reverso de exocitose, as partículas deixam a célula quando a membrana da vesícula que as envolve se funde com a membrana celular externa. Nesse caso, o conteúdo da vesícula é esvaziado no espaço extracelular. As invaginações da membrana externa podem ter dado origem às estruturas membranosas internas dos eucariotos, como o núcleo da célula, o retículo endoplasmático e os lisossomas. Uma segunda consequência do aumento da fluidez da membrana celular é que ela aumenta a comunicação entre as células, uma característica que permite aos eucariotos formar organismos multicelulares.

Dentro do paradigma Cavalier-Smith, algumas das várias organelas, incluindo o núcleo, evoluíram antes da habilidade de usar oxigênio. Se este cenário estiver correto, os primeiros eucariotos seriam anaeróbios. Posteriormente, esses anaeróbios primitivos poderiam ter ingerido um organismo de vida livre que usa oxigênio, via endossimbiose, para dar origem aos eucariotos aeróbios.

Os cientistas costumam consultar o registro fóssil ao considerar questões de evolução. Nesse caso, o registro parece apoiar algumas das idéias de Cavalier-Smith. As células procarióticas estavam presentes na Terra 3,5 a 4 bilhões de anos atrás, e as células eucarióticas não apareceram até 1,4 a 1,5 bilhões de anos atrás. As células eucarióticas que continham mitocôndrias e eram usuárias de oxigênio, no entanto, não estavam em evidência até 850 milhões de anos atrás. Dados do registro fóssil reforçam a ideia de que eucariotos anaeróbios primitivos surgiram de procariotos e então deram origem a eucariotos aeróbios mais complexos. Essa teoria ganharia ainda mais crédito se um eucarioto anaeróbico apropriado pudesse ser identificado, e de fato um foi.

O elo perdido
Em 1987, Cavalier-Smith sugeriu que o eucarioto anaeróbio unicelular Giardia lamblia pode de fato ser o elo que faltava. Giardia, sugeriu ele, pode ser o eucarioto anaeróbico que ingeriu uma bactéria que usa oxigênio. Essa união pode ter gerado o primeiro eucarioto aeróbio, do qual todos os outros podem ter descendido. Ele baseou sua previsão em uma análise dos tipos e estruturas das organelas em Giardia. Uma observação importante é que Giardia não tem mitocôndrias e é um anaeróbio obrigatório. Para apoiar ainda mais esta noção, experimentos nos quais Giardia ingerido uma molécula marcadora visível em micrografias eletrônicas mostram que o organismo é capaz de endocitar partículas do espaço extracelular. É concebível que Giardia poderia ter assumido um organismo semelhante à mitocôndria de maneira semelhante.

Em 1989, um de nós (peattie) fazia parte de uma equipe que descobriu evidências biológicas moleculares em apoio à colocação de Cavalier-Smith de Giardia na árvore evolutiva. Este trabalho explorou a natureza altamente conservadora do ribossomo, a estrutura na qual as proteínas são sintetizadas. Os ribossomos são encontrados em todas as células procarióticas e eucarióticas conhecidas. Seus componentes de RNA e moléculas de proteína são montados e dobrados para criar uma forma característica. Houve relativamente pouca mudança ao longo do tempo nas moléculas que constituem o ribossomo. Como resultado, os ribossomos procarióticos e eucarióticos são bastante semelhantes. A natureza conservada dessas moléculas e sua onipresença as tornam extremamente úteis para inferir distâncias evolutivas entre organismos. A comparação da sequência de nucleotídeos em um RNA ribossômico mostra o quanto a molécula mudou no curso da evolução de um organismo para outro.

A mudança é considerada uma função do tempo. Se passar muito tempo entre o surgimento dos organismos, haverá mais oportunidade para as sequências de seus ácidos nucléicos e proteínas mudarem. Se dois organismos evoluem em um espaço de tempo mais curto, há menos oportunidades para as sequências mudarem. Ao analisar as sequências de nucleotídeos de RNAs ribossômicos de diferentes organismos e determinar o grau de similaridade ou diferença entre esses RNAs, podemos chegar a algumas conclusões sobre o quão próxima ou distantemente os organismos estão relacionados. Com a ajuda de um computador, as sequências podem ser organizadas em uma árvore filogenética cuja ordem de ramificação indica a ordem provável em que os organismos divergiram de algum ancestral comum. Essas árvores filogenéticas podem ajudar a esclarecer a ordem de ramificação entre procariotos e eucariotos e avaliar qual organismo representa a primeira linha de descendência entre os eucariotos.

A equipe da qual um de nós era membro construiu uma árvore evolutiva comparando segmentos análogos de um tipo de RNA ribossômico de 54 organismos representando todos os níveis de evolução. Por este método, descobrimos que Giardia lamblia tem uma sequência de RNA ribossômico que é muito próxima à das células procarióticas. Esse Giardia o RNA ribossômico compartilha mais de sua sequência com procariotos do que o RNA correspondente de qualquer outro eucarioto. Assim Giardia é evolutivamente mais próximo dos procariontes do que outros eucariotos, e podemos interpretar isso como significando que Giardia é um membro da primeira linhagem eucariótica emergente.

Dado que Giardia carece de mitocôndrias e é necessariamente anaeróbico, sua posição filogenética fornece evidências convincentes para a hipótese de Cavalier-Smith de que os eucariotos anaeróbicos precederam os aeróbios. Ao mesmo tempo, essa evidência entra em conflito com a posição de Margulis de que os eucariotos evoluíram em resposta ao acúmulo de oxigênio na terra primitiva. A capacidade de usar oxigênio parece ter surgido mais tarde, em vez de antes, na progressão de procarioto para eucarioto.

Lições valiosas
Tendo estabelecido que Giardia ocupa uma posição importante na transição de procariotos para eucariotos, estamos interessados ​​em explorar aspectos de sua história de vida para ver o que podemos aprender sobre os primeiros eucariotos. Mas o interesse por esse organismo é anterior à descoberta de seu lugar na árvore evolucionária. Giardia, um organismo unicelular, é o principal parasita intestinal capaz de infectar uma variedade de espécies, incluindo seres humanos. O parasita pode ser encontrado em países desenvolvidos e subdesenvolvidos e causa diarreia, cólicas abdominais, mal-estar e perda de peso. Devido à sua ampla distribuição e à potencial gravidade das infecções, Giardia tem sido do interesse de parasitologistas e epidemiologistas há algum tempo.

Existem duas fases no Giardia ciclo de vida: trofozoítos e cistos. Cada cisto contém dois trofozoítos. Cistos são encontrados nas fezes de animais infectados. Matéria fecal infectada pode contaminar o abastecimento de água, onde outros animais podem ingerir os cistos. Dentro do estômago, os cistos são expostos aos ácidos digestivos, que causam a liberação dos trofozoítos. Uma vez liberado, o trofozoíto se liga às células da parte superior do intestino por meio de um disco na superfície ventral do parasita. Acredita-se que os parasitas permaneçam por algum tempo no intestino superior, onde se alimentam e se reproduzem. Quando são forçados para baixo no trato intestinal no intestino delgado ou no cólon, os trofozoítos formam cistos. Esses cistos são então excretados e o ciclo se repete. Porque Giardia tem potencial para infectar várias espécies, as possibilidades de transmissão são consideráveis.

o Giardia trofozoíto não possui muitas das organelas subcelulares características de eucariotos aeróbios superiores. Como mencionado antes, não possui mitocôndrias. Também não possui aparato de Golgi. Alguns pesquisadores relatam ter visto um retículo endoplasmático primitivo, mas essa afirmação ainda não recebeu suporte bioquímico. Giardia tem um citoesqueleto interno, bem como lisossomas que contêm enzimas digestivas. Seu material genético é encerrado em compartimentos fechados por membrana. Em nosso laboratório, os estudos são realizados com esses trofozoítos, células graciosas em formato de lágrima com quatro pares de flagelos.

De todas as características celulares do trofozoíto, a mais intrigante e intrigante é que Giardia não tem um núcleo, mas dois núcleos. Além disso, esses núcleos são iguais em tamanho. Realizamos um estudo dos núcleos duais na esperança de contribuir para uma compreensão mais completa da evolução das células eucarióticas superiores.

Os Dois Núcleos de Giardia
A presença de vários núcleos não é exclusiva para Giardia. Vários outros eucariotos unicelulares também têm mais de um núcleo, mas apenas Giardia e alguns organismos intimamente relacionados que constituem o grupo chamado diplomonas têm exatamente dois núcleos de tamanho igual. À luz da posição evolutivamente significativa Giardia espera, estamos muito ansiosos para entender a importância dessa configuração nuclear incomum. Temos tentado elucidar as contribuições estruturais e funcionais feitas pelos dois núcleos.

Recentemente, mostramos que os dois núcleos não são apenas iguais em tamanho, mas também que contêm a mesma quantidade de DNA. Além disso, usando técnicas que nos permitem ver o DNA e o RNA dos ácidos nucléicos ao microscópio, demonstramos que cada núcleo contém quatro cromossomos principais.

Ficamos curiosos para saber se o DNA de cada núcleo codifica a mesma informação. Como conhecemos a sequência de um RNA ribossômico dentro da célula e sabemos que o modelo para esse RNA está arquivado no DNA, sondamos o DNA de cada núcleo para ver se cada um continha essa sequência ribossômica. Descobrimos que cada núcleo realmente continha sequências especificando esse RNA ribossômico.

A mera presença da sequência em cada núcleo, entretanto, não significa necessariamente que cada um seja usado como molde para o RNA ribossômico. Assim, procuramos estabelecer se o RNA ribossomal na célula poderia ter sido derivado do DNA em qualquer um dos núcleos. Marcamos todos os RNAs nascentes com um marcador radioativo e encontramos RNA radioativo emergindo de ambos os núcleos. Como o RNA ribossômico é de longe a espécie de RNA mais abundante, podemos inferir que ele estava sendo copiado de modelos de DNA em ambos os núcleos. Isso sugere que o DNA em ambos os núcleos é funcionalmente equivalente e igualmente provável de servir como molde para o RNA ribossômico que sai do núcleo e entra no citoplasma.

Estudos adicionais conduzidos em outras células multinucleadas sugerem que o DNA destas não é funcionalmente equivalente. Por exemplo, em dois organismos unicelulares bem estudados, Tetrahymena e Paramecium, existem núcleos de tamanhos desiguais. Tetrahymena tem um grande núcleo e um pequeno núcleo. O núcleo menor contém duas cópias do genoma e, portanto, é diplóide. O DNA neste micronúcleo não é usado como molde, mas é passado para as células descendentes. O pequeno núcleo então se desenvolve em um grande núcleo, e só então seu DNA assume um papel de molde. Paramecium tem um grande núcleo e dois pequenos núcleos diplóides, que da mesma forma só são transmitidos às gerações futuras.

Desde o arranjo de núcleos em Giardia é anômala, mesmo entre células multinucleadas, surge a pergunta: Qual é o possível significado evolutivo dos dois núcleos de tamanhos iguais de Giardia e seu conteúdo? Já observamos que detectamos quatro cromossomos principais em cada núcleo, e outros relataram que existem entre quatro e cinco cromossomos principais no organismo. A quantidade de DNA em cada célula e sua complexidade foram determinadas. Juntos, esses dados e outros experimentos sugerem que cada núcleo de Giardia é haplóide, ou seja, cada um contém uma única representação da informação genética do organismo. Todo o trofozoíto, que contém dois núcleos, seria, portanto, diplóide.

O estado diplóide pode ser muito vantajoso, e a maioria dos organismos complexos e altamente evoluídos adotou esse arranjo. Se uma célula tem apenas uma única cópia da informação genética, qualquer alteração ou mutação dessa informação pode resultar em proteínas não funcionais, com consequências terríveis e possivelmente letais para a célula. Mas se a célula tiver dois conjuntos de instruções e um deles se tornar não funcional, o segundo conjunto pode servir como backup e pode compensar a perda do primeiro. Além disso, se um segmento do primeiro conjunto sofre uma mutação que fornece uma nova função benéfica, a outra cópia ainda pode executar a função original. Com apenas um conjunto de instruções, o organismo corre o risco de perder uma função existente para ganhar uma nova. Novamente, isso poderia levar ao fim da célula. Um organismo diplóide tem a vantagem de reter o antigo enquanto desenvolve novas funções vantajosas.

A suposta haploidia de cada um dos Giardia núcleos é intrigante no que diz respeito à importância evolutiva do organismo. É possível que um único núcleo haplóide dê origem a um segundo núcleo idêntico, conferindo assim a todo o organismo as várias vantagens do estado diplóide. Mais tarde na evolução, os dois núcleos haplóides poderiam ter se fundido para produzir o único núcleo diplóide característico da maioria dos eucariotos superiores. Este cenário hipotético explica a transição de um procarioto haplóide para um eucarioto diplóide. Também prediz que os eucariotos superiores que contêm um único núcleo diplóide são os descendentes evolutivos de um eucarioto binucleado.

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