velikost textu

Evolution of hydrogenosomes: adaptation of free living protists Mastagamoeba balamuthi and Naegleria gruberi to oxygen-poor environment

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Evolution of hydrogenosomes: adaptation of free living protists Mastagamoeba balamuthi and Naegleria gruberi to oxygen-poor environment
Název v češtině:
Evoluce hydrogenosomů: adaptace volně žijících prvoků Mastigamoeba balamuthi a Naegleria gruberi na prostředí s nižším obsahem kyslíku
Typ:
Disertační práce
Autor:
RNDr. Eva Nývltová, Ph.D.
Školitel:
prof. RNDr. Jan Tachezy, Ph.D.
Oponenti:
prof. Aloysius Gerard Marie TIELENS
doc. RNDr. Anton Markoš, CSc.
Id práce:
87951
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra parazitologie (31-161)
Program studia:
Parazitologie (P1522)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
7. 5. 2015
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
ABSTRAKT Celá řada prvoků patřící do různých eukaryotických skupin je schopná žít v prostředí chudém na kyslík. Adaptace jejich metabolismu k tomuto prostředí je obvykle spojená se ztrátou typických mitochondriálních funkcí jako je citrátový cyklus nebo dýchací řetězec. Anaerobní formy mitochondrie tak produkují ATP výhradně pomocí substrátové fosforylace (vyskytující se v anaerobních mitochondriích produkujících vodík nebo hydrogenosomech) nebo schopnost produkce ATP úplně ztratily, jako je tomu u mitosomů. V důsledku těchto změn je redukovaný i proteom těchto anaerobních mitochondrií. Stále zůstává otázkou zda se tyto anaerobní formy mitochondrie vyvinuly přímo z endosymbiotického pra-předka mitochondrie nebo jsou důsledkem sekundární redukce jako odezva na prostředí chudé na kyslík. Améba z eukaryotní skupiny Amoebozoa, Mastigamoeba balamuthi, je potencionálně zajímavý pro studium redukce mitochondrie. Tato améba je totiž blízce příbuzná dvěma velmi odlišným organismům: (i) aerobní a volně žijící hlence Dictyostelium, u které najdeme klasickou aerobní, plně funkční mitochondrii, a zároveň (ii) anaerobnímu parasitovi Entamoeba histolytica, u které nalézáme nejvíc redukovou formu mitochondrie nazvanou mitosom. Mitochondriální organely, nalezené u anaerobní avšak volně žijící M. balamuthi, by mohly představovat mezičlánek mezi mitochondrií a mitosomem. Funkční analýza mitochondrií u M. balamuthi ukázala, že tyto organely jsou metabolicky aktivní a obsahují metabolickou dráhu typickou pro hydrogenosom a produkující vodík a ATP. Tato dráha "prodloužené glykolýzy" (katabolismus pyruvátu vedoucí ke vzniku ATP substrátovou fosforylací) zahrnuje enzymy pyruvát:ferredoxin oxidoreduktázu (PFO), hydrogenázu a acetyl-CoA syntetázu (ACS). Překvapivě je tato dráha duplikovaná také do cytosolu améby. Za nejtypičtější mitochondriální dráhu je považována syntéza FeS (železo-sirných) center, kterou také nalezneme v hydrogenosomech M. balamuthi. Překvapivě standardní mitochondriální ISC dráha byla zde nahrazenou bakteriální NIF dráhou, která je opět duplikovaná i do cytosolu M. balamuthi. Na základě funkčních a fylogenetických analýz jsme navrhli, že přeměna mitochondrie na hydrogenosomy byla u M. balamuthi spojena se získáním genů enzymů anaerobního metabolismu a to pomocí laterálního genového přenosu. Tyto dráhy se posléze staly součástí nové organely, zatímco většina původních mitochondriálních funkcí byla ztracena. Mitochondrie prvoka ze skupiny Excavata, Naegleri gruberi, může představovat další příklad přechodu aerobního na anaerobní metabolismus. Přestože tyto mitochondrie obsahují klasické dráhy aerobního metabolismu včetně dýchacího řetězce, bylo nedávno navrženo, že je zde lokalizovaný také enzym anaerobního metabolismu - hydrogenáza. Pomocí plynové chromatografie jsme potvrdili, že N. gruberi je schopná produkovat molekulární vodík, přestože roste v prostředí bohatém na kyslík. Avšak aktivitu enzymu hydrogenázy jsme nalezli pouze v cytosolické frakci buňky, nikoliv v mitochondrii. Tyto data podporují naši hypotézu, že gen pro hydrogenázu získaný laterálním genovým přenosem z bakterií byl lokalizovaný primárně v cytosolu a pouze u některých eukaryot byl duplikován a přesunut do mitochondrie, ze které se tak staly hydrogenosomy.
Abstract v angličtině:
ABSTRACT Various protists from different eukaryotic groups are able to live in the oxygen-poor niches. Their metabolic adaptation to anaerobiosis is usually associated with loss of the typical mitochondrial functions, including the tricarboxylic acid cycle and oxidative phosphorylation. Anaerobic forms of mitochondria generate ATP exclusively by the substrate level phosphorylation in the hydrogen-producing hydrogenosomes, or the ATP synthesis is completely lost as observed in mitosomes. Consequently, the proteomes of such organelles are considerably reduced. It is a question of debate whether the anaerobic forms of mitochondria evolved directly from premitochondrial organelles that might be present in ancient anaerobic eukaryotes or during the secondary adaptation of aerobic eukaryotes to anaerobic niches. The protist from super group Amoebozoa, Mastigamoeba balamuthi, is very attractive for study of mitochondria evolution, because it is closely related with two very different organisms: (i) the aerobic, free-living slime molds such as Dictyostelium that possesses classical aerobic mitochondria, as well as (ii) the anaerobic parasite Entamoeba histolytica that contains mitosomes, the most reduced form of mitochondria. The mitochondria derived organelles in anaerobic, free-living M. balamuthi could represent the intermediate stage between mitochondria and mitosomes. The functional analysis of M. balamuthi organelles revealed that these organelles are metabolically active and possess the hydrogen and ATP- generating pathway, which is typical for anaerobic energy metabolism in the hydrogenosomes. This pathway (extended glycolysis) includes the enzymes pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFO), [FeFe]-hydrogenase, and ADP-forming acetyl- CoA synthetase (ACS). Interestingly, extended glycolysis is duplicated in the cytosol. The most conserved function of all mitochondria is the FeS cluster assembly, which is present also in Mastigamoeba hydrogenosomes. However, the typical mitochondrial ISC machinery is replaced by the bacterial NIF-like system , which is also duplicated in the cytosol. Based on functional and phylogenetic analysis we proposed that the transition of mitochondria-to- hydrogenosomes in Mastigamoeba included acquisition of genes encoded enzymes of anaerobic metabolism by lateral gene transfer. The products of these genes initially operated in the cytosol. After the gene duplication and acquisition of mitochondrial targeting signal, the pathways was parallelized in the mitochondria, whereas most of the mitochondrial pathways was lost. The mitochondria of Naegleria gruberi, a member of Excavata supergroup, might represent another example of the aerobic-to-anaerobic transition of mitochondrial metabolism. Although these organelles possess the typical pathways of aerobic mitochondria including oxidative phosphorylation, it has been recently predicted that they also possess [FeFe]- hydrogenase, a typical enzyme of anaerobic metabolism. Using gas chromatography, we confirmed that aerobically grown N. gruberi indeed produces molecular hydrogen. However, the active hydrogenase was detected only in the cytosolic fraction, while no hydrogenase activity was associated with the mitochondria. This result supports our hypothesis that the cytosol is the primary site of hydrogenase upon the acquisition of corresponding gene by LGT and only in some organism, the hydrogenase was duplicated and targeted to the mitochondria that were transformed to the hydrogenosomes.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce RNDr. Eva Nývltová, Ph.D. 10.81 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce RNDr. Eva Nývltová, Ph.D. 64 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky RNDr. Eva Nývltová, Ph.D. 66 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Aloysius Gerard Marie TIELENS 90 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Anton Markoš, CSc. 57 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 734 kB