Nanoarkeootit

Nanoarkeootit
tieteellinen luokittelu
Verkkotunnus:ArchaeaTyyppi:Nanoarkeootit
Kansainvälinen tieteellinen nimi
Nanoarchaeota Huber et ai. 2002
Systematiikka Wikispeciesissä Kuvat Wikimedia Commonsissa NCBI   192989 EOL   10554128

Nanoarchaeotes [1] ( lat.  Nanoarchaeota ) on vuonna 2002 eristetty arkeatyyppi . Jonkin aikaa ainoa tähän sukuun kuulunut laji oli Nanoarchaeum equitans . Sen edustajat voivat kehittyä vain yhteisviljelyssä yhden Ignicoccus -suvun lajin kemolitoautotrofisten arkeiden kanssa, mikä on arkeille ainutlaatuinen ilmiö. Yleensä näiden kahden arkealajin välistä suhdetta pidetään symbioottisena , mutta on olemassa näyttöä Nanoarchaeum - parasitismin puolesta Ignicoccusissa.. Vuonna 2013 ilmestyi raportti toisen nanoarkeoottilajin - Nanobsidianus stetterin - löydöstä [2] .

Opiskeluhistoria

Vuonna 2002 Karl Stetter , H. Huber ja kollegat raportoivat uudentyyppisen arkean löytämisestä näytteistä, jotka otettiin Keski - Atlantin harjanteen kuumista lähteistä noin 106 metrin syvyydessä. Ignicoccus havaitsi , että näiden rikkien solut vähentäviä autotrofisia arkeaa ympäröivät pienet kokkoidisolut . Näistä pienistä organismeista eristetyn DNA :n sekvensointi vahvisti niiden kuuluvan arkea - alueeseen , ja genomin poikkeuksellinen ainutlaatuisuus pakotti ne erottamaan erilliseksi Nanoarchaeota -suvun [3] [4] .

Uusi arkealaji sai nimekseen Nanoarchaeum equitans . Noin kymmenen vuoden ajan N. equitansia pidettiin Nanoarchaeota-suvun ainoana edustajana , mutta vuonna 2013 Yellowstonen kansallispuistosta raportoitiin löydetty toinen nanoarkeoottilaji . Aluksi uudelle organismille annettiin koodinimi Nst1, myöhemmin sille annettiin binomen Nanobsidianus stetteri . Kävi ilmi, että N. stetterin genomi eroaa monessa suhteessa N. equitansin genomista , vaikka tämä laji luokiteltiin fylogeneettisen analyysin tulosten mukaan nanoarkeoottien ryhmään [2] [5] [1] .

Jakelu

Nanoarkeotan löytämisen jälkeen on kertynyt paljon todisteita siitä, että nämä arkeat elävät useissa muissa elinympäristöissä kuin meren hydrotermisissä aukoissa . N. equitansin 16S-rRNA - geenin alukkeiden tutkimuksen aikana osoitettiin, että tämä laji on laajalle levinnyt kuumassa maassa sekä mesofiilisissä elinympäristöissä, joissa on korkea suolapitoisuus. N. equitansin rRNA -geenisekvenssejä on löydetty myös vesinäytteistä eufoottiselta vyöhykkeeltä , jotka on otettu huomattavan etäisyyden päästä hydrotermisistä aukoista. Siten nanoarkeootit voivat elää eri lämpötiloissa ja geokemiallisesti erilaisissa ympäristöissä. Hiljattain löydetystä Nanobsidianus stetteristä huolimatta Nanoarchaeum equitans on edelleen ainoa nanoarkeoottilaji, jota voidaan kasvattaa viljelmässä (yhdessä Ignicoccus- solujen kanssa ) [2] .

Morfologia

Nanoarchaeum - solut ovat tavallisia kääpiökokkeja, joiden halkaisija on 0,35–0,5 µm , joskus yhdellä prosessilla. Solut on peitetty 15  nm paksuisella proteiini S -kerroksella , on periplasminen tila . Nanoarchaeum -solun tilavuus on alle 1 % Escherichia coli -solun tilavuudesta [6] .

Nanoarchaeum equitans -solut voidaan fyysisesti erottaa Ignicoccus hospitalis -soluista ultrasuodatuksella ( suodattimen huokoskoko 0,45  µm ) tai optisilla pinseteillä sekä hellävaraisella ultraäänikäsittelyllä . Kun niitä kasvatetaan yhteisviljelyssä, lähes puolet I. hospitaliksen soluista kolonisoi N. equitans , joista jokaiseen on kiinnittynyt vähintään kaksi kääpiökokkia. I. hospitaliksen ja N. equitansin solujen välisestä kosketuspaikasta ei löydetty erityisiä kiinnitysrakenteita [6] .

Nanobsidianus stetterin soluja ei ole vielä eristetty puhtaassa viljelmässä. Kuten N. equitans -solut , ne eivät kykene itsenäiseen olemassaoloon. Ehdotettu N. stetterin isäntä on Sulfolobales -lahkon (tyyppi Crenarchaeota ) [5] erityinen arkearyhmä , joka on eristetty nimellä Acidicryptum nanophilum [2] .

Aineenvaihdunta

Nanoarchaeum equitans  on hypertermofiili , tiukka anaerobi , joka kasvaa vain yhteisviljelyssä Ignicoccus hopitalis -bakteerin kanssa . Optimaalinen lämpötila molemmille organismeille on 70-98 °C. N. equitansin muodostumisaika kasvaessa 90 °C:ssa, pH 6,0:ssa ja kaasujen läpikulkunopeudella 30 l/min on noin 45 minuuttia, ja viljelyn loppuun mennessä nanoarkeaalisen solususpension tiheys kasvaa 10-kertaiseksi. kun taas isäntäsolujen tiheys pysyy muuttumattomana. Myöhäisessä eksponentiaalisessa kasvuvaiheessa lähes 80 % nanoarkeaalisista soluista erottuu I. hospitalis -soluista ja ovat vapaan suspension muodossa. On huomattava, että I. hospitalis -solujen kasvu- ja hajoamisparametrit monoviljelmässä ja yhteisviljelyssä N. equitansin kanssa eivät eroa. Tämän perusteella kahden organismin välistä suhdetta pidetään symbioottisena [7] . On kuitenkin myös näyttöä I. hospitaliksen ja N. equitansin välisen suhteen loisluonteesta: kun liian monta N. equitans -solua kiinnittyy yhteen I. hospitaliksen soluun , I. hospitaliksen kasvu estyy [ 8 ] .

Molekyylimekanismit, jotka välittävät viestintää I. hospitalis- ja N. equitans -solujen välillä, ovat epäselviä. Molempien organismien kalvot muodostuvat yksinkertaisista ja lähes identtisistä (pienillä eroilla) lipideistä [9] . Analyysi tehtiin I. hospitaliksen proteomin muutoksesta yhteyden muodostumisen aikana N. equitansiin . Kävi ilmi, että N. equitansin kanssa kontaktin muodostumisen jälkeen useiden energiantuotantoon osallistuvien avainproteiinien ilmentyminen lisääntyi I. hospitalis -soluissa ; tämä näyttää johtuvan N. equitansin I. hospitaliksen tuottaman energian kulutuksesta . Tämä selittää myös keskeisten metabolisten entsyymien ja useisiin biosynteettisiin prosesseihin osallistuvien entsyymien ilmentymisen lisääntymisen . Samaan aikaan RNA-polymeraasin ja tärkeimpien transkriptiotekijöiden vähentynyt määrä havaittiin yhteisviljelysoluissa [10] .

Toisin kuin sen isäntä, I. hospitalis , joka pelkistää alkuainerikkiä vedyllä , N. equitansin genomista puuttuu geenejä, jotka voisivat olla vastuussa kemolitoautotrofisesta aineenvaihdunnasta. Se kuitenkin koodaa kahta entsyymiä aminohappojen oksidatiiviseen deaminaatioon . Lisäksi Nanoarchaeumissa on useita proteiineja, jotka voivat katalysoida elektroninsiirtoreaktioita , sekä viisi arkeaalisen ATP -syntaasin tyyppiä A 1 A 0 alayksikköä . Vielä on kuitenkin epäselvää, pystyykö N. equitans uuttamaan energiaa itse oksidatiivisen fosforylaation aikana vai saako se sen isännästä [8] .

N. equitans ei pysty syntetisoimaan monia soluyhdisteitä: aminohappoja, nukleotideja , kofaktoreita ja lipidejä. Siitä puuttuvat glykolyysin ja glukoneogeneesin entsyymit , trikarboksyylihapposykli ja kuvatut hiilen assimilaatioreitit . Ilmeisesti se kuljettaa suurimman osan solujen metaboliiteista I. hospitalis -soluista [8] .

Nanobsidianus ei myöskään pysty syntetisoimaan aminohappoja, nukleotideja, kofaktoreita ja lipidejä, mutta sen genomi sisältää geenejä kaikille glukoneogeneesin entsyymeille sekä entsyymejä, jotka osallistuvat polysakkaridien synteesiin . Ilmeisesti hiilihydraattien aineenvaihdunta Nanobsidianuksessa tapahtuu klassisen glykolyysin polkua pitkin [5] .

Genomi

Nanoarchaeum equitansin genomi on sekvensoitu ja sitä edustaa yksi pyöreä 490 885  emäsparin kromosomi . Kokonais - GC-pitoisuus N. equitansin genomissa on 31,6 %. Genomissa on tunnistettu 552 koodaavaa sekvenssiä, joiden pituus ei ylitä 827 emäsparia. Kromosomin ulkopuolisia elementtejä ei löytynyt. N. equitansin genomi on yksi pienimmistä solueliöiden sekvensoiduista genomeista, mutta sille on ominaista erittäin korkea geenitiheys: koodaavat sekvenssit kattavat noin 95 % koko genomista, kun taas ei-koodaavia alueita ja pseudogeenejä käytännössä puuttuu [11 ] . Tämän lajin genomi erottuu myös suuresta määrästä ainutlaatuisia sekvenssejä: vain 18,3 %:lla koodaavista sekvensseistä, joilla on tuntematon toiminta, on homologeja muissa organismeissa, kun taas loput näyttävät olevan ainutlaatuisia N. equitansille . Lisäksi 16S-rRNA-geenit sisältävät monia substituutioita jopa erittäin konservoituneissa paikoissa, joita käytetään yleisesti polymeraasiketjureaktion (PCR) alukkeiden kohteina. Ainutlaatuisesta primäärirakenteesta huolimatta 16S rRNA : n sekundaarirakenteessa on kuitenkin arkealle tyypillisiä piirteitä. Kuten edellä mainittiin, N. equitansin genomista puuttuu monia solumetabolian välttämättömiä proteiineja; ne ovat saattaneet kadota isäntään sopeutuessaan. Sillä on kuitenkin tyypin IB CRISPR -puolustusjärjestelmä , joka on tyypillistä hypertermofiileille [8] [5] [12] .

Nanoarchaeum equitansin genomissa prokaryooteille tyypillinen operoniorganisaatio on kadonnut ja epätavallisen suuri määrä geenejä on läsnä fragmentoituneessa tilassa. Esimerkki tällaisesta jaosta on kahden avoimen lukukehyksen läsnäolo, jotka koodaavat alanyyli-tRNA-syntetaasin ja käänteisen gyraasin [11] domeeneja .

Fragmentoituminen on ominaista myös Nanoarchaeum equitansin tRNA-geeneille . Hän kuvasi ensimmäisenä kypsien tRNA -molekyylien kokoonpanon kahdesta erillisestä puolikkaasta, mikä johti 6 isoakseptori-tRNA-molekyyliin. Tämän arkean genomi koodaa 11 tRNA-puolikasta. Molekyyleillä, jotka vastaavat tRNA-puolikkaita, on GC-rikas alue , joka on komplementaarinen sekvenssille, joka löytyy vain vastaavasta toisesta puoliskosta. Näiden sekvenssien ansiosta vastaavien puolikkaiden toistensa etsiminen ja tunnistaminen helpottuu. Kypsät tRNA:t muodostuvat epätavallisessa trans -silmukointireaktiossa , jonka suorittaa heteromeerinen silmukointiendonukleaasi [ 11] .

Nanoarchaeum equitans  on ainoa organismi, jolta tiedetään puuttuvan ribonukleaasi P (RNaasi P), joka on kaikkialla esiintyvä ribonukleoproteiinikompleksi , joka poistaa 5'-johtokohdat tRNA-prekursoreista. Siksi tRNA-geenien 5'-johtosekvenssit hävisivät tämän arkean genomista genomien uudelleenjärjestelyjen aikana [11] .

Nanoarchaeum equitansilla on lukuisia pieniä RNA:ita , joista CRISPR-RNA:ita (crRNA:ita) on eniten, sekä pieniä RNA:ita, jotka sisältävät C/D-laatikon. Lisäksi on kuvattu pieniä RNA:ita, jotka sisältävät H/ACA-laatikon [11] .

Nanoarchaeum equitansin GC-koostumus on liian alhainen kaksijuosteisen DNA-rakenteen ylläpitämiseksi 90 °C:ssa (lämpötila, jossa tämä arkea elää). Siksi erityisten mekanismien puuttuessa, jotka estävät purkamisen korkeissa lämpötiloissa, sen genomin on oltava "sulanut" yksijuosteinen DNA . Mahdollisia DNA-rakennetta ylläpitäviä mekanismeja ovat histonit ja käänteinen gyraasi. Sekä histoneja että käänteisgyraasia on löydetty Nanoarchaeum equitansista , mutta ei ole selvää, riittääkö näiden proteiinien ilmentyminen DNA:n kaksoiskierteen ylläpitämiseen hypertermofiilisissä olosuhteissa. Uskotaan, että tärkeimmät alueet, joissa Nanoarchaeum equitansin kaksi DNA-juostetta on liitetty heliksiksi, ovat RNA:ta koodaavia geenejä [13] . Vuonna 2015 Nanoarchaeum equitansista löydettiin uusi yksijuosteinen DNA:ta sitova proteiini, NeqSSB:n kaltainen proteiini . Tällä proteiinilla on suuri lämpöstabiilisuus ja se voi sitoutua kaikentyyppisiin nukleiinihappoihin [14] .

Nanoarchaeum equitansilla on kaksi histonia (NEQ288 ja NEQ348), joista ensimmäinen on hyvin lähellä eukaryoottista histonia H3 [15] .

Nanobsidianus stetterin genomi on lähes 20 % pidempi kuin Nanoarchaeum equitansin genomi ja sisältää noin 651 000 emäsparia, GC-koostumus on noin 24 %. Se koodaa kaikkia tarvittavia glukoneogeneesin entsyymejä, ei sisällä CRISPR-järjestelmää, koodaa RNaasi P:n komponentteja ja koodaa myös euryarkeoottien kaltaista flagellumia [5] [2] .

Phylogeny

Fylogeneettisen analyysin mukaan Nanobsidianus stetteri  on Nanoarchaeum equitansin sisartaksoni ; nämä kaksi lajia näyttävät edustavan kahta erillistä perhettä Nanoarchaeota- suvissa . Kokeellinen ja genominen näyttö viittaa siihen, että Nanoarchaeum equitans kehittyi yhdessä ainoan isäntänsä, Ignicoccus hospitaliksen , kanssa . Nanobsidianus stetterin ja Nanoarchaeum equitansin isäntien välillä on vähän yhteistä , mutta niillä on yhteinen taipumus yksinkertaistaa genomia: I. hospitaliksen genomi  on pienin tunnetuista Crenarchaeotsin genomeista ja oletetun Nanobsidianuksen isännän genomi. stetteri , vaikkakin suurempi, on pienin tunnetuista genomeista edustamassaan Sulfolobales -luokassa [5] .

Nanoarchaeota -suvun kaksi lajia muodostavat hyvin määritellyn ryhmän, joka ei ole läheistä sukua mihinkään tunnetuista arkeisista ryhmistä . Nanoarkeotat ovat läheisimpiä sukulaisia ​​Euryarkeotaan , josta ne erosivat hyvin kauan sitten. On mahdollista, että evoluutiovoima, joka ohjasi nanoarkeoottien erottamiseen euryarkeooteista, oli muinainen symbioosi; siksi kaikkien Nanoarcheaotan edustajien on oltava symbiontteja tai loisia [5] .

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 Vorobjova, 2007 , s. 344.
2. ↑ 1 2 3 4 5 Munson-McGee J. H., Field E. K., Bateson M., Rooney C., Stepanauskas R., Young M. J.  Nanoarchaeota, Their Sulfolobales Host, and Nanoarchaeota Virus Distribution around Yellowstone National Park Hotlied  and Microbiology // Appliology . - 2015. - Vol. 81, nro. 22. - P. 7860-7868. - doi : 10.1128/AEM.01539-15 . — PMID 26341207 .
3. ↑ Huber H., Hohn M. J., Rachel R., Fuchs T., Wimmer V. C., Stetter K. O.  Uusi Archaea-suvun edustama nanokokoinen hypertermofiilinen symbiontti  // Luonto . - 2002. - Voi. 417, nro 6884. - s. 63-67. - doi : 10.1038/417063a . — PMID 11986665 .
4. ↑ Vorobjova, 2007 , s. 347-348.
5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Podar M., Makarova K. S., Graham  DE  // Biology Direct. - 2013. - Vol. 8. - P. 9. - doi : 10.1186/1745-6150-8-9 . — PMID 23607440 .
6. ↑ 1 2 Vorobjova, 2007 , s. 348.
7. ↑ Vorobjova, 2007 , s. 350.
8. ↑ 1 2 3 4 Waters E., Hohn M. J., Ahel I., Graham D. E., Adams M. D., Barnstead M., Beeson K. Y., Bibbs L., Bolanos R., Keller M., Kretz K., Lin Xiaoying, Mathur E. ., Ni Jingwei, Podar M., Richardson T., Sutton G. G., Simon M., Soll D., Stetter K. O., Short J. M., Noordewier M. Nanoarchaeum equitansin  genomi : näkemyksiä varhaisesta arkeologisesta evoluutiosta ja johdetuista loisista  // Proc . Nat. Acad. sci. USA . - 2003. - Voi. 100, ei. 22. - P. 12984-12988. - doi : 10.1073/pnas.1735403100 . — PMID 14566062 .
9. ↑ Archaea, 2007 , s. 55.
10. ↑ Giannone R. J., Huber H., Karpinets T., Heimerl T., Küper U., Rachel R., Keller M., Hettich R. L., Podar M. Solu-  ja molekyyliprosessien proteominen karakterisointi, joka mahdollistaa Nanoarchaeum equitans  - Ignicoccus hospitalis -suhteen  // PLoS One . - 2011. - Voi. 6, ei. 8. - P. e22942. - doi : 10.1371/journal.pone.0022942 . — PMID 21826220 .
11. ↑ 1 2 3 4 5 Randau L.  RNA:n prosessointi minimaalisessa organismissa Nanoarchaeum equitans  // Genomibiologia. - 2012. - Vol. 13, ei. 7. - P. R63. - doi : 10.1186/gb-2012-13-7-r63 . — PMID 22809431 .
12. ↑ Vorobjova, 2007 , s. 348, 350.
13. ↑ Kawai Y., Maeda Y.  Nanoarchaeum equitans ei onnistunut ylläpitämään tasapainoa DNA:n stabiilisuuden ja sulamispotentiaalin välillä  // The Journal of General and Applied Microbiology. - 2011. - Voi. 57, nro. 2. - s. 123-128. doi : 10.2323 /jgam.57.123 . — PMID 21606613 .
14. ↑ Olszewski M., Balsewicz J., Nowak M., Maciejewska N., Cyranka-Czaja A., Zalewska-Piątek B., Piątek R., Kur J. Nanoarchaeumin yksijuosteisen  DNA -sitoutumiskaltaisen proteiinin karakterisointi equitans  - Nukleiinihappoa sitova proteiini, jolla on laaja substraattispesifisyys  // PLoS One . - 2015. - Vol. 10, ei. 5. - P. e0126563. - doi : 10.1371/journal.pone.0126563 . — PMID 25973760 .
15. ↑ Friedrich-Jahn U., Aigner J., Längst G., Reeve J. N., Huber H.  Histonin H3 nanoarkeaalinen alkuperä?  // Journal of Bacteriology. - 2009. - Vol. 191, nro. 3. - P. 1092-1096. - doi : 10.1128/JB.01431-08 . — PMID 19047349 .

Kirjallisuus

• Vorobjova L. I. . Archaea: oppikirja yliopistoille. - M . : ICC "Akademkniga", 2007. - 447 s. - ISBN 978-5-94628-277-2 .
• Amils, Ricardo. . Nanoarchaeota // Encyclopedia of Astrobiology / Toim. Muriel Gargaud et ai. - Berliini: Springer-Verlag, 2011. - xliv + 1851 s. - ISBN 978-3-642-11274-4 .  - P. 1106. - doi : 10.1007/978-3-642-11274-4_1040 .
• Archaea: Evoluutio, fysiologia ja molekyylibiologia / Toim. Roger A. Garrett, Hans-Peter Klenk. - Malden, MA: Blackwell Publishing Ltd., 2007. - xii + 416 s. — ISBN 978-1-4051-4404-9 . - doi : 10.1002/9780470750865 . .