Tilpasninger i arvematerialet

Transkript

1 Tilpasninger i arvematerialet hos parasittiske flatormer Flatormer i dyrerekken Platyhelminthes forekommer først og fremst i salt- og ferskvann ned til de største dyp, men også i andre habitater som våt jord eller råtnende treverk. De er tosidig symmetriske og temmelig flate dyr og det finnes alle overganger fra frittlevende til rene parasittiske former. Flatormer tiltrekker seg vanligvis ikke stor oppmerksomhet i diskusjoner rundt biodiversitet hos dyr til tross for at denne dyregruppen spiller en viktig rolle i naturen. Dette gjelder særlig artene i underrekken Neodermata som bare inneholder parasittiske flatormer. Siden vi nå har oversikt over hele arvematerialet (genomet) fra flere frittlevende og parasittiske flatormer, er det nå mulig å diskutere tilpasninger til en parasittisk livsstil. For de fleste av oss er parasittiske flatormer ikke særlig nyttige dyr, heller ikke vakre eller attraktive. Tvert imot, flat ormer betraktes i beste fall som rare kreaturer, men vanligvis bare som stygge og ekle. At de parasittiske formene er de mest suksessfulle i rekken i henhold til antall arter, er heller ingen fordel for deres omdømme. I under rek ken Neodermata finnes bare parasittiske flatormer (Figur 1). Den inneholder både ektoparasittiske haptormark (Monogenea) og endoparasittiske ikter (Trematoda) og bendelormer (Cestoda). Alle Neodermata-artene er parasitter på dyr, og en del av dem er også av stor betydning for mennesker. For haptormark er det typisk at de viser en ektoparasittisk livsstil, mens bendelormer og ikter er endoparasitter med mer eller mindre komplekse livssykluser. Sikkert best kjent er Schistosoma som forårsaker schistosomiasis (også kjent som bilharzia) og bendelormen Echinococcus granulosus som forårsaker ekinokokkose (også kjent som hydatid sykdom). I det tropiske og subtropiske Afrika er om lag 200 millioner mennesker infisert med Schistosoma og hvert år dør omtrent av sykdommen. I Norge får også Gyrodactylus salaris stor oppmerksomhet. Denne arten er en hudparasitt som lever på atlantisk laks (Salmo salar) i mange norske elver og tilhører klassen haptormark (Monogenea). Sykdommen gyrodactylosis fører til laksedød og har medført betydelig økologisk og økonomisk skade i de infiserte elvene. Store pengebeløp er investert i å fjerne parasitten fra norske vassdrag. NATUREN nr. 2 Bastian Fromm (f. 1982) Diplombiolog ved Universitetet i Jena, Tyskland, i 2008, Dr.philos. ved Universitetet i Oslo i Postdoktor ved Radiumhospitalet Oslo. Jutta Bachmann (f. 1961) M.A. i anglistikk og romanistikk i 1986, diplombiolog i 1991, Dr. rer. nat. i genetikk ved Universitetet i Tu bingen, Tyskland, i Daglig leder av Bachmann Consulting, Nesoddtangen. Lutz Bachmann (f. 1959) Diplombiolog i 1986, Dr. rer. nat. i genetikk ved Universitetet i Tu bingen, Tyskland, i Fast ansatt pro fes sor i molekylær systematikk ved Naturhistorisk museum, UiO, i Leder for Krepsdyrsamlingen, Seksjon for forsk ning og samlinger, Naturhistorisk museum, UiO. 59

2 Genomiske tilpasninger i parasittiske flatormer kan nå undersøkes. I de siste årene har vi sett en voldsom utvikling av molekylære metoder. Hurtig-sekvensering av genomer har blitt mer og mer vanlig. De såkalte next-generation sequencing (NGS) metoder er imidlertid ofte brukt og det er stadig flere genomer som er fullstendig sekvensert og gjort tilgjengelige i databaser. Dette gjelder også en del flatormarter. Med et stadig økende tall av publiserte genomer åpnes det også mer og mer opp for komparativ genomikk. Mer generelle spørsmål om genomorganisasjon og funksjon kan nå undersøkes. Slike metoder er også meget lovende for å få en bedre forståelse av hvordan parasitter har utviklet og tilpasset seg til livsstrategier som utnytter vertens ressurser og om hvordan de kan unngå vertens forsvarssystemer. I denne artikkelen fokuserer vi på genomiske tilpasninger i parasittiske Neodermata og skal nærmere belyse tilpasninger som kan knyttes til ektoog endoparasittiske former. Fylogeni av parasittiske flatormer Alle Neodermata hører uten tvil til den samme monofyletiske linjen innenfor dyrerekken Platyhelminthes. De er etterkommere etter den samme stamarten, ettersom en neodermis, en vevstype som ga navn til underrekken, finnes i alle disse artene. Neodermisen ble først oppdaget av Ehlers i 1984 og er en sekundær epidermis (overhud) som erstatter den opprinnelige epidermisen. Neodermisen kan oppfattes som en spesialisert tilpasning til å leve i et potensielt fiendtlig miljø; på den ene siden gjelder det å forsyne seg med næringsstoffer, mens det samtidig er viktig å avvise vertens toksiner. Neodermisen er et syncytium, det vil si et flerkjernet lag uten cellemembraner med alle cellekjerner under et tynt lag av fibre og sukkermolekyler. Som tilpasning til parasittisk livsstil var neodermisen muligens avgjørende for den evolusjonære suksessen til Neodermata. Ganske nylig ble genomene av flere Neodermata-arter publisert. Blant dem finnes den ektoparasittiske haptormarken Gyrodactylus salaris og de endoparasittiske bendelormene Echinococcus multilocularis (revens dvergbendelorm), E. granulosus (hundens treleddete bendelorm), Taenia solium (svinets bendelorm) og Hymenolepis microstoma (en bendelorm som infiserer gnagere), og iktene Clonorchis sinensis (kinesisk leverikte), Schistosoma mansoni og S. japonicum (Tabell 1). I tillegg er også genomet av den frittlevende Schmidtea mediterranea tilgjengelig. Det er dermed for første gang mulig å gjennomføre omfattende undersøkelser av genomiske tilpasninger i parasittiske flatormer. Flere stipendiatprosjekter ved Naturhistorisk museum (NHM), Universitetet i Oslo, har arbeidet med slike spørsmål. Som nevnt tidligere er det ingen tvil om at alle Neodermata har utviklet seg fra et felles utgangspunkt de er altså en monofyletisk gruppe. Likevel har debatten om slektskapsforhold innenfor Neodermata pågått lenge. På grunn av klassiske morfologiske under søkelser var iktene oppfattet som en basal gruppe innenfor Neodermata, og bendelormer og haptormark som en avledet søstergruppe. De første molekylære studier støttet denne hypotesen, men senere, da stadig flere gensekvenser ble tilgjengelige, ble et forhold mellom nært beslektede ikter og bendelormer oppfattet som mest sannsynlig. De 60 NATUREN nr. 2

3 Art Norsk navn Genomstørrelse Referanse Klasse Haptormark (Monogenea) Gyrodactylus salaris ca. 120 Mb Hahn mfl Klasse Ikter (Trematoda) Schistosoma mansoni ca. 350 Mb Berriman mfl Schistosoma japonicum ca. 400 Mb The Schistosoma japonicum Genome Sequencing and Functional Analysis Consortium 2009 Clonorchis sinensis Kinesisk leverikte ca. 515 Mb Wang mfl Klasse Bendelormer (Cestoda) Echinococcus multiocularis ca. 115 Mb Zheng mfl Echinococcus granulosus ca. 115 Mb Zheng mfl Taenia solium Svinets bendelorm ca. 120 Mb Tsai mfl Hymenolepis microstoma ca. 140 Mb Tsai mfl Utegruppe: Klasse Flimmerormer (Turbellaria) Schmidtea mediterranea ca. 850 Mb Robb mfl Tabell 1 Nylig sekvenserte flat ormgenomer i underrekken Neodermata. Genomstørrelsen er indikert i Mb (millioner basepar). For sammenligning: størrelsen av det humane genomet er omtrent 3000 Mb. nyeste genom-analysene har gjennomgående støttet at haptormark (Monogenea) er basal innenfor Neodermata, mens ikter (Trematoda) og bendelormer (Cestoda) er en mer avledet søstergruppe. Dette gjelder både studier med fullstendige mitokondriegenomer (Park mfl. 2007; Perkins mfl. 2010) og senere med analyser av mikrornaer (Fromm mfl. 2013), samt og ved bruk av bioinformatikk-postulerte genmodeller (Hahn mfl. 2014). Disse resultatene er også viktige for å kunne utvikle en bedre forståelse av de ulike livsstilene som er representert i parasittiske flatormer. En monofyletisk linje av bendelormer og ikter kan antyde at endoparasittismen er den avledete levemåten som utviklet seg fra en opprinnelig ektoparasittisk stamart. Vi kan dermed anta en overgang fra en direkte livssyklus på bare én vert (som er typisk for haptormark) fram til mer komplekse livssykluser på flere enn bare én vert (som er typisk for bendelormer og ikter). Det er godt mulig at denne overgangen bare har skjedd én gang i den linjen som i dag utgjør ikter og bendelormer. Denne teorien er illustrert i Figur 1. Genomiske tilpasninger til parasittisk livsstil Med en robust hypotese om stamtreet for Neodermata på plass og flere genomer av frittlevende og parasittiske flatormer tilgjengelig, er det nå mulig å diskutere en del viktige biologiske spørsmål: 1) Finnes det genomiske tilpasninger til parasittisk livsstil i parasittiske flatormer? 2) Hvilke genomiske forskjeller finnes for ekto- og endoparasittiske flatormer? 3) Er det mulig å knytte spesifikke genomiske egenskaper av endoparasittiske flatormer til dens livsstil og livssykluser? NATUREN nr. 2 Endoparasittiske flatormer kan ha utviklet seg fra en ektoparasittisk stamart. 61

4 Figur 1 Fylogenetiske slektskapsforhold innen flatmark (rekke Platyhelminthes). Artsdiversiteten er høyest innenfor underrekken Neodermata. Der finner vi både ektoparasittiske haptormark (Monogenea), endoparasittiske ikter (Trematoda) og bendelormer (Cestoda). Alle andre flatorm-linjer utenfor Neodermata er stort sett ikke parasitter, men frittlevende dyr. Flatormgenomer er bare 1/10 1/20 så stor som det menneskelige genomet. 4) Kan genomiske studier bidra til å utvikle nye strategier for å bekjempe flatormer som forårsaker alvorlige sykdommer hos dyr og mennesker? Flatormgenomer som til nå har blitt sekvensert ligger i en størrelsesorden mellom Mb (millioner basepar). De er dermed forholdsvis små og bare 1/10 1/20 så store som det menneskelige genomet (Tabell 1). Likevel er genomene ikke særlig mye mindre enn genomene til andre virvelløse dyr. Men haptormark- og bendelormgenomene utgjør bare en del av størrelsen til sekvensierte flimmerormer- og iktegenomer. Slike størrelsesforskjeller skyldes stort sett forskjellen i mengden av ikke-kodende og repeterte DNA, og tyder ikke på en forskjell i antall gener (Tsai mfl. 2013). Fromm mfl. (2013) identifiserte de ulike mikrornaene som finnes i Gyrodactylus salaris og diskuterte de evolusjonære trendene som kan observeres for disse særlig viktige genregulatorene. MikroRNAer er 22 nukleotider lange, ikke-kodende RNAmolekyler som har en stor betydning for regulering av genuttrykk. Slike RNA-molekyler binder spesifikk til messenger RNA-molekyler (mrna) etter transkripsjon og forhindrer dermed deres translasjon til proteiner. Denne måten av genregulering er sær- 62 NATUREN nr. 2

5 lig effektiv når mikrornaer binder seg til messenger RNA-molekyler som koder for transkripsjonsfaktorer. De sistnevnte er molekyler som i seg selv er veldig viktige for regulering av gener. Det er fremdeles mange detaljer som forskerne ikke forstår. Funnene er ganske tydelige og viser at mikro- RNAer er meget konserverte. I løpet av evolusjonen utviklet det seg mange nye mikro RNAer, mens etablerte mikro RNAer sjelden tapes fra genomene. Det betyr at det forventes linjespesifikke mikro RNAer for de store dyregruppene. Det var derfor ganske overraskende når det ble oppdaget at en stor del forventete mikro RNAer ikke fantes i flatormer. Vi må altså anta at de ble tapt fra deres genomer (Tabell 2). Enda mer påfallende er det at desto yngre den evolusjonære flatormlinjen er, desto flere forventete mikro RNAer mang ler. Av de 46 forventete konserverte mikro RNAene var åtte borte fra alle flatormgenomer, 16 fra Neodermata-genomene og 24 mikrornaer ble tapt i Schistosoma og Echinococcus. Med andre ord, mikrorna-tapet var størst i den fylogenetisk yngste Neodermata-linjen, som er bendelormer og ikter. Samtidig pågikk det, som forventet, en betydelig evolusjonær utvikling av nye mikro RNAer i flatormer. Det gjelder særlig Schmidtea med 38, Schistosoma med 27 og Gyrodactylus med 22 nye mikrornaer. I Echino- coccus, med bare 3 nye mikrornaer, er denne evolusjonære trenden likevel ikke så tydelig. Men også her oppdaget forskerne en overraskelse: Ingen av de nyutviklete mikro RNAene var typisk for verken alle flatmarker, alle Neodermata, eller de endoparasittiske bendelormene og iktene. Alle nye mikro RNAer var spesifikke for bare én linje innen Neodermata og, sett fra et evolusjonært tidsperspektiv, antakeligvis ganske unge. Det er selvfølgelig meget spennende å finne ut om tapet og nyutviklingen av mikro RNAer i flatormer er tilpasninger til deres parasittiske livsstil. For tiden kan vi bare spekulere over dette, siden de biologiske funksjonene er fullstendig ukjente for de fleste mikro- RNAer. Likevel var det ganske uventet at parasittiske flatormlinjer bare deler tap av mikro RNAer, men ingen nyutvikling. Slike spørsmål kommer sikkert til å stå i fokus i fremtidige studier, og vi kan uten tvil forvente spennende nye innsikter. Genomiske tilpasninger til ekto- og endoparasittisme Tsai mfl. (2013) var blant de første som prøvde å knytte genomiske tilpasninger til utviklingen av endoparasittisme hos flatormer. Forskerne sammenlignet genomene av bendelormer og ikter med genomet av den frittlevende flimmerormen Schmidtea mediterranea. Forfatterne kom opp med en liste med tilpassede genomiske Parasittiske flatormlinjer deler bare tap av mikro RNAer, men ingen nyutvikling. Art Tap Nyutvikling Schmidtea mediterranea (Turbellaria) 9 38 Gyrodactylus salaris (Monogenea) Schistosoma mansoni (Trematoda) Echinococcus granulosus (Cestoda) 26 3 NATUREN nr. 2 Tabell 2 Tap av forventete og utvikling av nye mikro - RNAer i flatmark. 63

6 I Neodermata er det først og fremst tap av trekk dokumentert som genomiske tilpasninger. trekk som var typisk for endoparasitter (Boks 1). Uten å se alt for detaljert på listen, så virker det likevel slik at det først og fremst er tap av trekk dokumentert som genomiske tilpasninger, men bare få evolusjonære nyutviklinger. En del av de oppdagede gentapene er i følge Tsai mfl. (2013) ikke særlig overraskende og muligens lette å forklare. For eksempel er mangelen av en kompleks fettsyremetabolisme og peroksisomer, organeller som finnes i nesten alle eukaryoter hvor de oppfyller ganske sentrale funksjoner i fettsyre- og antioksidant-metabolismen, sett på som en tilpasning til muligheten for å forsyne seg med de tilsvarende ressursene gjennom verten. Tapet av nøkkelproteiner er derimot mer vanskelig å forklare. Vi må imidlertid innse at vi har nesten ingen kunnskap om funksjonen av de genomiske tilpasningene som står på listen. Det var ganske overraskende at Tsai mfl. (2013) ikke inkluderte ektoparasittiske haptormark (Monogenea) i sine studier. Da Hahn mfl. (2014) sekvenserte genomet av laksedreperen Gyrodactylus salaris, en art som tilhører haptormark, kunne de teste om de genomiske trekkene på listen til Tsai mfl. (2013) virkelig kunne knyttes til flatorm-endoparasittismen. Det viste seg at bare få av disse tilpasnin- Boks 1: Typiske tilpassede genomiske trekk i parasittiske flatormer i orden Neodermata. vasa: Genet vasa koder for en universelt forekommende stamcelle-spesifikk RNA-avhengig helikase. Vasa er viktig for utvikling av embryo og regulering av andre viktige utviklingsgener. Homeoboks-gener: Homeoboks-gener (også kalt homeotiske gener) er en gruppe gener som koder for transkripsjonsfaktorer og dermed regulerer uttrykk av andre gener. Disse genene inneholder en homeoboks, det vil si et stykke DNA med en lengde på omtrent basepar og med en konservert sekvens (også kalt homeoboksdomene). Homeoboks-gener spiller en viktig rolle for embryoets utvikling. piwi og argonaut: Piwi-gener ble først identifisert som en klasse gener som koder for proteiner, som er viktige for å opprettholde den ufullstendige differensieringen av stamceller og kontrollerer deres delingsrate. Piwi-proteiner forekommer i både planter og dyr og er veldig konserverte. Piwi-domenen finnes først og fremst i proteiner som binder seg til nukleinsyrer, særlig de som binder og hydrolyserer RNA. Argonaut-proteiner er katalytiske komponenter i et RNA-kompleks som kalles RNA-induced silencing complex (RISC), som er viktig for et gene silencing fenomen som kalles RNA-interferens (RNAi). Argonaut-proteiner binder seg til små, ikkekodende RNAer. Disse RNAene dirigerer argonautproteiner fram til deres spesifikke målmolekyler ved sekvenskomplementaritet, og denne prosessen medfører gene silencing. Argonaut-proteiner kan også ha endonuklease-aktivitet for messenger RNA, det vil si de kan kutte inne i nukleinsyremolekylet. Argonautgenfamilien finnes i både eukaryoter, archaea (archaebacteria) og en del bakterier. Både piwi- og argonaut-proteiner er avgjørende for å opprettholde den genomiske integriteten i stamceller. Peroksisomer: Peroksisomer er organeller i eukaryotiske celler som inneholder enzymer som danner og forbruker hydrogenperoksid (H 2 O 2 ). De har en viktig funksjon i nedbryting av de langkjedete, polyumettede og forgrenede fettsyrene, men også i nedbryting av giftstoffer, som for eksempel etanol. Varmesjokkprotein-70- (Hsp70) familien: Genene i Hsp70-genfamilien koder for proteiner med en molekylær vekt på omtrent 70 kilodalton. Hsp70-proteiner har en viktig rolle i protein-folding, og beskytter celler under stress (særlig etter varmesjokk). Slike proteiner finnes i nesten alle organismer. 64 NATUREN nr. 2

7 gene var typiske for ikter og bendelormer. De fleste fantes også i G. salaris. De var dermed generelle trekk av Neodermata og muligens tilpasninger i alle parasittiske flatormer. Hvis konklusjonene av Hahn mfl. (2014) viser seg å være riktige, så har flatormgenomprosjektene muligens allerede levert mange viktige innsyn i hvordan arvestoffet hos flatormer er tilpasset det parasittiske levevis. Likevel er vår forståelse av den genomiske basisen for ekto- og endoparasittisme i flatormer fremdeles forholdsvis begrenset. Det er uten tvil behov for sekvensering av flere flatormgenomer for å få enda dypere innsyn i deres evolusjon, for eksempel om alle endoparasittiske flatormer har utviklet seg fra den samme stamarten. Etter genomsekvensering er det viktig å undersøke funksjonen av spesifikke gener og genkomplekser på en mer detaljert måte siden genomiske analyser har påvist en betydelig rolle for parasittiske livsstiler. Riktignok står døren til en dypere forståelse av parasittiske flatormer åpen allerede i dag. Det er også av praktisk betydning siden genomanalysene kan være svært viktig for å kunne utvikle nye strategier for bekjempelse, kontroll og helbredelse av flatorminduserte sykdommer. Videre lesning Berriman, M., Haas, B.J., LoVerde, P.T., Wilson, R.A., Dillon, G.P., Cerqueira, G.C., Mashiyama, S.T., Al-Lazikani, B., Andrade, L.F., Ashton, P.D., Aslett, M.A., Bartholomeu, D.C., Blandin, G., Caffrey, C.R., Coghlan, A., Coulson, R., Day, T.A., Delcher, A., DeMarco, R., Djikeng, A., Eyre, T., Gamble, J.A., Ghedin, E., Gu, Y., Hertz- Fowler, C., Hirai, H., Hirai, Y., Houston, R., Ivens, A., Johnston, D.A., Lacerda, D., Macedo, C.D., McVeigh, P., Ning, Z., Oliveira, G., Overington, J.P., Parkhill, J., Pertea, M., Pierce, R.J., Protasio, A.V., Quail, M.A., Rajandream, M.A., Rogers, J., Sajid, M., Salzberg, S.L., Stanke, M., Tivey, A.R., White, O., Williams, D.L., Wortman, J., Wu, W., Zamanian, M., Zerlotini, A., Fraser-Liggett, C.M., Barrell, B.G., El-Sayed, N.M The genome of the blood fluke Schistosoma mansoni. Nature 460: Fromm, B., Worren, M., Hahn, C., Hovig, E., Bachmann, L Substantial loss of conserved and gain of novel microrna families in flatworms. Molecular Biology and Evolution 30: Hahn, C., Fromm, B., Bachmann, L Comparative genomics of flatworms (Platyhelminthes) reveals shared genomic features of ectoand endoparastic Neodermata. Genome Biology and Evolution 6: Robb, S.M.C., Ross, E., Alvarado, A.S SmedGD: the Schmidtea mediterranea genome database. Nucleic Acids Research 36: D599-D606. The Schistosoma japonicum Genome Sequencing and Functional Analysis Consortium The Schistosoma japonicum genome reveals features of host-parasite interplay. Nature 460: Tsai, I.J., Zarowiecki, M., Holroyd, N., Garciarrubio, A., Sanchez- Flores, A., Brooks, K.L., Tracey, A., Bobes, R.J., Fragoso, G., Sciutto, E., Aslett, M., Beasley, H., Bennett, H.M., Cai, J., Camicia, F., Clark, NATUREN nr. 2 Døren til en dypere forståelse av parasittiske flatormer står åpen. 65

8 R., Cucher, M., De Silva, N., Day, T.A., Deplazes, P., Estrada, K., Fernandez, C., Holland, P.W.H., Hou, J., Hu, S., Huckvale, T., Hung, S.S., Kamenetzky, L., Keane, J.A., Kiss, F., Koziol, U., Lambert, O., Liu, K., Luo, X., Luo, Y., Macchiaroli, N., Nichol, S., Paps, J., Parkinson, J., Pouchkina-Stantcheva, N., Riddiford, N., Rosenzvit, M., Salinas, G., Wasmuth, J.D., Zamanian, M., Zheng, Y. The Taenia solium Genome Consortium, Cai, X., Soberon, X., Olson, P.D., Laclette, J.P., Brehm, K., Berriman, M The genomes of four tapeworm species reveal adaptations to parasitism. Nature 496: Wang, X., Chen, W., Huang, Y., Sun, J., Men, J., Liu, H., Luo, F., Guo, L., Lv, X., Deng, C., Zhou, C., Fan, Y., Li, X., Huang, L., Hu, Y., Liang, C., Hu, X., Xu, J., Yu, X The draft genome of the carcinogenic human liver fluke Clonorchis sinensis. Genome Biology 12: R107. Zheng, H., Zhang, W., Zhang, L., Zhang, Z., Li, J., Lu, G., Zhu, Y., Wang, Y., Huang, Y., Liu, J., Kang, H., Chen, J., Wang, L., Chen, A., Yu, S., Gao, Z., Jin, L., Gu, W., Wang, Z., Zhao, L., Shi, B., Wen, H., Lin, R., Jones, M.K., Brejova, B., Vinar, T., Zhao, G., McManus, D.P., Chen, Z., Zhou, Y., Wang, S The genome of the hydatid tapeworm Echinococcus granulosus. Nature Genetics 45: NATUREN nr. 2