Minimal proteinfabrik upptäckt hos parasit
Umeåforskare har beskrivit världens kanske minsta proteinfabrik – hos den lilla parasiten mikrosporidie, som bland annat infekterar silkesmaskar och bin. Med hjälp av så kallad kryo-elektronmikroskopi har forskarna lyckats se unika detaljer i ribosomerna, de strukturer i cellen som tillverkar proteiner.
– För 150 år sedan hotades europeisk silkesindustri av en okänd epidemi som tog död på silkesmaskarna. Louis Pasteur identifierade smittkällan och föreslog åtgärder, vilket räddade silkesproduktionen denna gång. I dag vet man att det var en så kallad mikrosporidieparasit som orsakade epidemin. Varje år orsakar silkesmasksjukdomar inkomstbortfall i kinesisk silkesindustri på mer än 100 miljoner dollar.
Sjukdomen mikrosporidios drabbar inte bara silkesmaskar. Mikrosporidieparasiterna omfattar tusentals olika arter och kan påträffas i celler hos alla djurgrupper. Minst 14 mikrosporidiearter har förmåga att infektera människan. Mikrosporidier hotar inte bara akvakulturer, silkesmaskodlingar och biodlingar, där infektioner kan utplåna hela bisamhällen. Parasiten kan också orsaka livshotande infektioner hos patienter med nedsatt immunförsvar.
Lite känt om livet på molekylnivå
Även om mikrosporidios är bland de vanligaste parasitiska sjukdomarna hos djur, är relativt lite känt om deras fascinerande liv på molekylär nivå. Tillsammans med forskare från Rockefeller University och Connecticut Agricultural Experiment Station, USA, publicerar Jonas Barandun, ny gruppledare vid The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden, MIMS, resultat som beskriver den molekylära strukturen hos mikrosporidiens ribosom, dess proteinfabrik. Studien som publiceras i Nature Microbiology visar första gången strukturen hos cellulära ribosomer i en organism med mycket begränsad genetisk information.
Mikrosporidiska parasiter kan överleva som sporer i mark, vatten och luft där deras utveckling kan stanna upp i ett vilande tillstånd. När en annan organism sväljer sporer kan dessa med hjälp av en unik ultrasnabb infektionsmekanism injicera sporernas innehåll i värdcellen.
Mikrosporidier överlever trots reducerad genuppsättning
Inne i en värdcell kan mikrosporidier utnyttja värdens små molekyler för sin egen ämnesomsättning och replikation. Detta parasitiska beteende gör det möjligt för mikrosporidier att överleva utan de gener som en cell normalt behöver. Därför har mikrosporidiers genuppsättning kunnat reduceras till den minsta som någonsin hittats i eukaryoters ribosom, cellulära maskiner, som bildar proteiner i organismer. Tidigare forskning hade visat att mikrosporidie-genomet, med cirka 2 000 höggradigt komprimerade gener, till och med är mindre än vissa bakteriers genom. Eukaryoter är organismer vars celler har en cellkärna. Hit hör växter, djur och svampar.
– Mikrosporidier är alltså minimalister bland de parasitära eukaryoterna och minskar sitt genom till ett minimum som behövs för överlevnad och celldelning. Det gör dem till idealiska modellorganismer för att studera de minimalt nödvändiga komponenter som behövs för molekylära processer i en cell, säger Jonas Barandun.
Material från majsmott
En stor utmaning var att få tillgång till många cellulära ribosomer, som består av RNA och proteiner. Jonas Barandun samarbetade därför med en mikrosporidiespecialist, Charles Vossbrinck, från Connecticut Agricultural Experiment Station. Han odlade mikrosporidiearten Vairimorpha necatrix i larver av majsmottet Helicoverpa zea, ett skadedjur som förekommer enbart i Nordamerika och Kanada och kan orsaka stor skada på bomulls- och majsgrödor.
b. Mikrosporidie (V.necatrix) ribosomens struktur och genomlängd (RNA) jämförs med jäst (S. cerevisiae).
c. Jämförelse av ribosomstrukturen med andra ribosomer inom evolutionen som visar släktskap med svampar (Fungi). Alla delar som fattas i mikrosporidieribosomen är markerade med blå och orange färg.
Illustration: Jonas Barandun med kryo-elektronmikroskopiska studier
Från majsmottets larver isolerade forskarna mikrosporidiesporer. Från dessa kunde de extrahera ribosomer för vidare studier med kryo-elektronmikroskopi och masspektrometri. Forskargruppen kunde med hjälp av dessa båda tekniker få fram en modell av den minsta eukaryota cytoplasmatiska ribosomen på nära atomnivå. Hela forskningsprojektet utfördes i laboratoriet av Sebastian Klinge, en ribosomspecialist vid Rockefeller University i New York, tillsammans med Mirjam Hunziker.
Det ribosomala RNA:at är 30 procent kortare än motsvarande molekyl i jästsvampen, som är nära besläktad med mikrosporidier, och till och med 15 procent kortare än i E.coli-bakterien.
Avslöjat ribosomernas struktur
Jonas Barandun och hans kollegor kunde nu avslöja strukturen av cellulära ribosomer i mikrosporidier och jämföra med ribosomstrukturer i andra organismer. Mycket överraskande upptäcktes två helt nya proteiner som inte finns i andra ribosomer (se illustrationen). Forskarna avslöjade också att dessa faktorer påverkar mikrosporidiers vilostadium.
– Vi hittade två så kallade dormansfaktorer (MDF1, MDF2) som kan funktionellt inaktivera mikrosporidiernas ribosomer. Dessa är en förutsättning för att parasiten kan stanna av sin livscykel i sporstadiet. Vi vet nu vilken roll dessa två proteiner spelar, säger Jonas Barandun.
Eftersom parasiten är starkt beroende av resurser från sin värd, kan en effektiv avstängningsmekanism för cellulära processer vara fördelaktig för att bevara energi under sporstadiet.
Vetenskaplig artikel:
Evolutionary compaction and adaptation visualized by the structure of the dormant microsporidian ribosome. Jonas Barandun, Mirjam Hunziker, Charles R. Vossbrinckand Sebastian Klinge (Nature Microbiology)
Kontakt:
Jonas Barandun, PhD,forskare och SciLifeLab National Fellow, The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden, MIMS, Umeå Centre for Microbial Research, UCMR, Institutionen för molekylärbiologi, Umeå universitet, jonas.barandun@umu.se
