1.4. A protiszta-prokarióta szimbiózisok

1.4.1. Szimbiózisok a protiszták körében

A szimbiózis eredetileg két élőlényfaj tartós együttélését jelenti, függetlenül az együttélés partnerekre gyakorolt hatásától. A mindkét félnek előnyös szimbiózist mutualista kapcsolatnak, az egyik fél számára előnyös, a másiknak káros kapcsolatot a parazita kapcsolatnak nevezzük. Az asztalközösség (kommenzalizmus) az egyik félnek előnyös, a másiknak közömbös kapcsolat. E három közül a mutualizmusra és parazitizmusra lehet számos példát találni az egysejtűek között. Két élőlény között a szimbiózis pontos természetének kimutatása rendszerint hosszadalmas kutatások sorát feltételezi. Ennek során a legkülönfélébb leíró és kísérletes vizsgálatokon keresztül lehet meggyőződni arról, hogy melyik partner mit nyújt a másiknak, milyen anyagcsere- szaporodási- terjedési stb. folyamataikat hogyan befolyásolják egymásnak. A protiszták és a baktériumok méretéből adódóan sejt- és molekuláris biológiai szintű vizsgálatok szükségesek mindehhez. A fentiek mellett már az egyed szintjén az is megvizsgálható, hogy miként hat a fizikai-kémiai környezet egy-egy kiválasztott paraméterének módósítása az együttélőkre, hogyan változtatja meg aktivitásukat, szaporodásukat vagy más, mérhető tulajdonságukat. Mit jelent a szimbionta partnerek egyikének eltávolítása a másik számára? A protiszták között csak elvétve találunk ilyen mélységekbe menő kutatásokat, mert a szimbiózisokra valamennyi csoport számtalan példát kínál, és ezért rendszerint éppenhogy csak a jelenséget sikerül leírni. Néhány forrópont azért akad (például a rovarok intesztinális ostorosai és szimbiontáik körében) ahol a mutualista kapcsolatot behatóbban vizsgálják, de itt is inkább az anyagcsere kapcsolatok összefüggéseire összpontosítva, nem pedig arra, hogy mekkora ráfordítással jár a partnereknek az együttélés. Éppen emiatt a hiányossága miatt a protiszta szimbiózisok széles skálájának csak a két szélén található együttélések azok, amelyek egyértelműen mutualista vagy parazita jellegűnek tarthatók. Számos együttélésnél csak a koegzisztencia állapítható meg, ezért is használták régebben az endocitobiózis kifejezést, amely egyértelműen elhatárolódik minden funkcionális megközelítéstől az együttélés jellegét illetően. Manapság – a fenti korlátokat figyelembe véve – a szimbiózis kifejezést használják legtöbbet minden olyan vonatkozásban, amikor a partnerek egyike sem tekinthető nyilvánvalóan kórokozónak. Olyan kifejezések honosak ezen a tudományterületen, amelyeket nem használnak máshol (például az ökológiában: ilyen az esszenciális szimbionták kifejezés).

Ahogy az eukarióta sejt létrejöttének eseményláncolata is mutatja, a sejtes szerveződésű élőlények között a szimbiózis igen szoros kapcsolatokat eredményezhet. Az egysejtűeknél különösen fontos, hogy a szimbiózis általában endocitobionták révén valósul meg, azaz az egyik egysejtű élőlény a másik egysejtűben helyezkedik el egymagában vagy többedmagával. Az egysejtűek közötti viszonyban ritkábbak az epibiózis típusú kapcsolatok, amikor az együttélő partnerek egyike egy másiknak a felületén helyezkedik el.

Szimbiózis létrejöhet egysejtű eukarióta és prokarióta között, valamint egysejtű eukarióták között is. A paraziták között érdemes azonban a gombák közé tartozó Microsporidia fajokat is megemlíteni, amelyek között vannak egysejtűeket parazitálók is.

A szimbiózist az egysejtűeknél először két protiszta kapcsolata alapján fedezték fel. A protisztáknál a szimbiózis jelensége 1876-ban vált ismertté, amikor id. Entz Géza[2] felfedezte az általa levézöldtestecskéknek nevezett, csillósokban élő zöldalgák szimbionta természetét (Entz 1876). Ugyanezeket német kortársa Brandt, egyidejű vizsgálatai során zoochlorelláknak nevezte el – ez utóbbi kifejezés terjedt el világszerte. A zoochlorellák mellett fokozatosan felismertek más fotoszintetizáló szimbiontákat is: a tengeri élőlényekben a zooxanthellának nevezett dinoflagellátákat például, amelyek részint korallokban és más gerinctelenekben, részint protisztákban vannak jelen. A foraminiferákban és radioláriákban számos különféle protiszta szimbiontát találtak már.

1.4.2. Szimbiózisok prokariótákkal

A prokarióta szimbionták között egyaránt vannak fototrófok és heterotrófok, de az utóbbiakról sokkal régebben és sokkal többet tudunk. Az első fototróf szimbiontát már igen régen felfedezték. R. Lauterborn 1895-ben írta le a Paulinella chromatophora házas amőbát, amelyben egyedülálló módon soha nem látszottak emésztő űröcskék, viszont két kifli alakú kékeszöld szimbiontát tartalmazott. A Paulinella szimbiontáinak felfedezése nemsokkal később gondolatébresztő lett a kloroplasztisz eredetét illetően. Az eltelt százegynéhány év alatt a Paulinella szimbiontájáról sokat megtudtunk: kiderült, hogy a Synechococcus cianobaktériumok rokonságába tartozik; bebizonyosodott, hogy valódi mutualistáról van szó, hiszen a cianellumnak is nevezett szimbionták elvesztették önállóságukat, szabadon nem tenyésznek, génkészletük redukált és egy része átkerült az amőba sejtmagjába. A növényi sejtek kloroplasztiszainál jellemző 11-14 %-kal szemben a Paulinella szimbiontájából csak a genom 0,3-0,8 %-a került át a gazdába (ezt nevezik endoszimbionta géntranszfernek). Az áthelyeződött gének a fotoszintézist, valamint a fotoszintézist a környezeti viszonyokhoz hangoló (fotoakklimációs) fehérjéket kódolják és szabályozásukat már a gazdasejt végzi. Ezek alapján megalapozott volt az a feltételezés, hogy a gazdából a cianellumba géntermékek importja zajlik, amelynek mechanizmusát eddig csak olyan univerzális organellumoknál ismerték mint a plasztisz vagy a mitokondrium. Nemrég tárták fel azt az egyedülálló transzportmechanizmust, amivel a Paulinella cianelluma importálja a nukleárisan kódolt géntermékeket (Mackiewicz és mtsai 2012). A cianellumok szimbiózisának alakulása és a növényi plasztiszt eredményező hajdani szimbiogenetikus folyamat között a kutatók napjainkban is párhuzamot vélnek felfedezni – akárcsak Mereshkowsky bő egy évszázaddal korábban. A Paulinella és cianellumának kapcsolatát újabban primer endoszimbiózisnak tekintik. A legújabb közleményekben már plasztiszként emlegetik „szimbionta” vagy „cianellum” helyett. A Paulinella és a cianellumok szimbiózisa nem tekint vissza hosszú földtörténeti múltra, körülbelül hatvanmillió éve jöhetett létre. (Marin és mtsai 2005, Nowack és mtsai 2011).

1.6. ábra. Paulinella chromatophora (Cercozoa) házas amőba organellummá alakult cianellumaival

1.6. ábra. Paulinella chromatophora (Cercozoa) házas amőba organellummá alakult cianellumaival

Van még egy további példa olyan protiszta-cianobaktérium szimbiózisra, amelyet hosszú időn át szintén a primer endoszimbiózis megismétlésének gondoltak. A Cyanopora paradoxa édesvízi ostoros alga az Archaeplastida egyik ősi kládjának, a kékeszöld algáknak (Glaucophyta) a képviselője. Két cianelluma türkízkék, feltűnően más mint a zöldalgák vagy a növények kloroplasztisza. Egészen mostanáig nem volt bizonyítékokkal alátámasztva, hogy a Cyanophora paradoxa kloroplasztisz vagy endoszimbionták segítségével fotoszintetizál. Price és munkatársai 2012-ben közölték genomikai vizsgálataik eredményeként, hogy az Archaeplastida kloroplasztisza monofiletikus – így a Cyanophora plasztiszai, bár sok tekintetben eltérnek a többiekétől (keményítő bioszintézise, fermentációs folyamatok, az fotoszintetikus fénygyűjtő komplex eukariótákra jellemző fehérjéinek hiánya) –, mégis a plasztisz primer szimbiogenezise során alakultak ki. Érdekesség, hogy a plasztiszból az asszimilátum exportját, valamint a citoplazmában a raktározott szénhidrátok polimerizációját Chlamydia-eredetű gének termékei teszik lehetővé. Más Archaeplastidákban is kimutattak hasonló szerepkörben Chlamydia-eredetű géneket, így elképzelhető, hogy a parazita Chlamydiáknak komoly befolyásoló szerepe lehetett a plasztisz szimbiogenezisének korai szakaszában, ami meghatározó lett az Archaeplastida későbbi evolúciójára.

Cianobaktériumok más protisztákban is megtalálhatók, bár az intracelluláris elhelyezkedésen kívül nincs közvetlen bizonyíték arra, hogy mutualisták lennének, csupán az együttélés ténye ismert. A nyílt óceánból vett mintákban több heterotróf protiszta csoport körében bukkantak sejten belüli cianobaktériumokra. A csillósoknál egy tengeri Codonella fajnál, a radioláriák Spumellarida csoportjába tartozó Dictyocoryne fajnál és több dinoflagellátánál (pl. Dinophysis, Histioneis, Ornithocercus). A filogenetikai vizsgálat nagy számú Synechococcus és Prochlorococcus mellett eddig ismeretlen cianobaktérium filotípusokat eredményezett. A szimbionták aktívak voltak a gazdasejtben, jól látható glikogénraktárral, osztódó alakokkal. A Richelia intracellularis nitrogénkötő cianobaktériumot különböző kovaalgákból mutatták ki, ahol aktív nitrogénkötő képességét is igazolták. Ennél a kapcsolatnál tehát feltételezhető, hogy mutualista jellegű (Foster és mtsai 2006, Li 2009).

A cianobaktériumok és protiszták között jelenleg egyetlen olyan együttélésről tudni, ahol a primer szimbiogenezis, tehát a szimbionta organellummá alakulása gyanítható. Minden további ismert szimbózis az együttélés széles skálájának a további fokozatait mutatja.

Más fototróf prokarióták is szimbiózisra léphetnek egysejtűekkel. A tengeri csillós, Strombidium purpureum citoplazmájában többszáz, nem-kén típusú bíborbaktérium él, amelyeket Rhodopseudomonas-rokonságba tartozónak gondolnak, de molekulárisan még nem vizsgálták őket (Esteban és mtsai 2010).

Az autotróf életmód endoszimbiózisok útján kialakult változatos hátterének bemutatására a protiszták körében a plasztiszok ismertetésénél kerül sor.

A protiszták és heterotróf baktériumok között az együttélésnek számos változata alakult ki. A legtöbb ismeretünk a xilofág rovarok bélcsatornájában élő ostorosok endo- valamint ektoszimbiontáiról, a csillós egysejtűek gyakorta fajspecifikus szimbiontáiról és különféle amöboid egysejtűek időlegesen vagy tartósan együttélő endobiontáiról van.

A hagyományos tenyésztéses módszerekkel mesterséges körülmények között nem tenyészthető endobionta baktériumok vizsgálata csak molekuláris biológiai eszközökkel lehetséges. A sejt belsejében fluoreszcens in situ hibridizációval lokalizálhatók az élő baktériumok, a próba specificitását növelve a baktérium filogenetikai hovatartozása is kideríthető. A szimbionta pontos azonosítására a 16S rDNS szekvencia előállítása után nyílik lehetőség. A baktériumok intracelluláris elhelyezkedése transzmissziós elektronmikroszkópos felvételekkel mutatható be. E három pilléren alapszik az intracelluláris szimbionták kimutatása és azonosítása.

Egy teljesen új, törzs-szintű prokarióta csoport leírása körvonalazódik az ősi fafogyasztó termeszek és csótányok intesztinális ostorosai tanulmányozásának eredményeként, amelyet TG1 csoportnak (Termite Group 1) neveznek (Hugenholtz és mtsai 1998). A TG1 csoport intracelluláris baktériumai az „Endomicrobia” csoport filotípusai, amelyek több várományos fajt takarnak (Candidatus Endomicrobium spp.) (Stingl és mtsai 2005). Más baktériumcsoportok is bőven képviseltetik magukat a termeszek intesztinális ostorosaiban. Például a Bacteroidales csoportba tartozó baktériumok széles spektrumát találni az intesztinális ostorosokkal kapcsolatban mind endoszimbiontaként, mind az egysejtű felszínére tapadva (Noda és mtsai 2009). Egy másik példa a Reticulitermes termeszfajban élő Trichonympha agilis ostoros Desulfovibrio nemzetségbe tartozó, korábban ismeretlen szimbiontája (Candidatus Desulfovibrio trichonymphae) (Hongoh 2011).

Csillós egysejtűekben különböző típusú szimbiózisok ismertek. Van olyan, ahol a szimbionta baktérium kiirtását követően a csillós elpusztul. Ilyen például az Euplotes aediculatus egysejtű és a Polynucleobacter necessarius baktérium kapcsolata. Az ilyen baktériumokat esszenciális szimbiontáknak nevezik. A baktérium pedig obligát szimbionta, amely nem él máshol a természetben. A Polynucleobacter szerepéről eddig nem tudunk, de nem tűnik patogén természetűnek. Feltételezik, hogy a csillós valamilyen anyagcsere-hiányosságát kompenzálják a szimbionták. Mivel a Polynucleobacter-t sok más Euplotes fajban, különböző környezetben megtalálták, feltételezik, hogy hosszú ideje fennálló, evolúciós jelentőségű kapcsolatról van szó. A modellszervezet papucsállatkákban (Paramecium fajok) különösen sokféle baktériumot sikerült feltárni. A Caedibacter caryophila például a Paramecium makronukleuszában található. T. Sonneborn 1938-ban fedezte fel, hogy bizonyos Paramecium-tenyésztörzsek toxikus tulajdonságúak, ezeket killer sejtvonalnak nevezte el. A killer-sajátosságú Parameciumok apró részecskéket hordoztak a citoplazmájukban, amiket kappa-részecskéknek neveztek el. A kappa részecskéket nem tartalmazó Paramecium sejtvonalak érzékenyek voltak a kappa-részecskéknek tulajdonított toxikus hatásra, míg a hordozó papucsállatkák nem. Csak évtizedekkel később derült ki, hogy e részecskék patogén baktériumok, amelyek a papucsállatkák intracelluláris szimbiontái és morfológiai alapon a Holospora genuszba sorolták őket. (Érdekesség, hogy a Holospora baktérium voltára már a 19. század végén felfigyeltek és a genuszt kifejezetten a papucsállatka magjában tenyésző baktériumok alapján állították fel. Ez az ismeret azonban fél évszázadra feledésbe merült.) A fertőzött egysejtűekből a Holospora baktériumok antibiotikum kezeléssel kiirthatók, ekkor a csillósok újból fogékonyak lesznek a baktérium termelte ölőhatású anyagra.

A Holospora genuszt a molekuláris filogenetikai vizsgálatok eredményeként több genuszra osztották. Így alakult ki a Paramecium makronukleuszában élő Caedibacter caryophila. A killer-tulajdonság egy erősen fényvisszaverő (refraktilis) testecskének tulajdonítható, ezt R-testnek („refractile body”) nevezik míg a hordozó sejtvonalakat „bright”-nak. Morfológiailag az R-test egy hengeralakban feltekeredett fehérje amely a baktériumsejtben szorosan feltekeredve található. Az egyik vizsgált R-test például 6,5-nél alacsonyabb pH mellett teleszkópszerűen kitekeredik és egy 0,4 μm széles és 20 μm hosszú szalagot képez (a hordozó Caedbacter hossza mindössze 1 μm körül van!). A korai genetikai vizsgálatok alapján az R-testet meghibásodott bakteriofág termékének tartották. Ma úgy tudni, hogy egy plazmid kódolja és a fehérje génjének a szekvenciája is ismert. Működése során az ölő hatást úgy fejti ki, hogy a szenzitív egysejtűek bekebelezik a baktériummal együtt, majd a fagolizoszómában a pH csökken, valószínűleg ennek hatására az R-test kitekeredik és komoly strukturális károkat okozva a sejtben végül elpusztítja a csillóst. A Caedibacter taeniospiralis-ban sikerült előállítani az R-test plazmidon található fehérje-kódoló génjeinek szekvenciáit. Az R-test kialakulásához és működéséhez három gén szükséges (rebA, rebB és rebC) és feltételezik egy további, szabályozó gén meglétét is (Heruth és mtsai 1994).

A Holospora a hordozó Paramecium sejtvonal számára kompetíciós előnyt jelent egy élőhelyfolt benépesítésénél és forrásai kiaknázásánál a közeli rokon csillósokkal szemben. Azóta sok, ártalmatlannak tűnő baktériumot is karakterizáltak csillósokban.

Anaerob környezetben, például kérődzők bendőjében vagy rothadó iszapban élő csillósokban különösen jellemzőek a metanogén baktériumok, amelyek vagy a csillós felületéhez tapadva, vagy a sejten belül élnek. Az intracelluláris metanogének a csillós citoplazmájában a hidrogenoszómák körül helyezkednek el. A Plagiopyla frontata csillós metanogén baktériumai a gazdával szinkronban osztódnak (Görtz és Brigge 1998, Görtz 2001).

Az amöboid egysejtűekben nagyszámú baktériumot mutattak ki, amelyek között vannak szűkebb értelemben vett szimbionták, amelyek tartósan jelen vannak a gazdában mindig az adott amőbafajban, és vannak tranziens, átmenetileg benntartózkodók is. A Thecamoebidae csupasz amőbákban gombákat is találtak a szimbionták között (Michel és mtsai 2009). A baktériumokat különböző szabadonélő amőbákban (FLA – Free-Living Amoebae) mutatták ki nagy számban. A prokarióták legtöbbször endocitózissal kerülnek be a sejtbe, de az emésztést megakadályozva ellenálló endobiontákká lesznek (ARB – Amoeba Resistant Bacteria). Az amőbarezisztens baktériumok között számos humán kórokozó is van, ilyenek a Chlamydia-szerű, a Pseudomonas csoport és Legionella baktériumok. E három mellett még továbbiak is gyarapítják a lehetséges kórokozók sorát. Az amőba-baktérium szimbionta rendszerek vizsgálatánál derült fény egy a mikrobiológiai gyakorlatban fontos jelenségre: a legtöbb amőba-szimbionta a gazdán kívül mesterségesen nem tenyészthető. Amőbába bejuttatva viszont felszaporíthatók és így tanulmányozhatók olyan kórokozók, amelyek filogenetikai hovatartozását például humán mintában talált csekély számuk miatt nem lehetne megállapítani („amoebal co-culture”). A legtöbb baktériumot már olyan, önmagában is veszélyes amőbákból mutatták ki, mint az Acanthamoeba és Naegleria fajok (Horn és Wagner 2004). Ártalmatlan szabadonélő amőbákban is előfordulnak endobionta baktériumok. A Saccamoeba-ban például Erlichia-szerű baktériumot mutattak ki (Greub és Raoult 2004). Az Arcella házas amőbákban több humán patogén baktérium mellett (Moraxella sp., Bosea sp., Bacillus cereus) más eukariótákban is endobionta természetű prokarióták rokonait találni (Paenibacillus graminis, Rhizobium sp., Variovorax paradoxus ) (pl. Török és mtsai 2008).

1.7. ábra. Endobionta baktériumok házas amőbában a) baktériumok Arcella intermedia citoplazmájában b) Gram-pozitív kokkuszok Arcella intermedia citoplazmájában. Fluoreszcens in situ hibridizáció, rhodamine jelölés, skála: 10 μm

1.7. ábra. Endobionta baktériumok házas amőbában a) baktériumok Arcella intermedia citoplazmájában b) Gram-pozitív kokkuszok Arcella intermedia citoplazmájában. Fluoreszcens in situ hibridizáció, rhodamine jelölés, skála: 10 μm



[2] Id. Entz Géza (1842-1919) protisztológus, a csillós-alga szimbiózis felfedezője. Számos kutatási területet eredményesen művelt: elsőként kutatta az erdélyi szalinák mikrovilágát, tanulmányozta a Nápolyi-öböl protisztáit, számos új egysejtű taxont írt le, köztük a Stephanopogon Heterolobosa ostorost amelyet csillósnak vélt. “Tanulmányok a véglények köréből” című magyar és német nyelven megjelent összefoglaló műve a kor protisztológiájának teljes foglalatát nyújtotta. A rendszertani kérdések mellett a protozoológia – protisztológia viszonya is foglalkoztatta. Tudományos dolgozatok mellett számos zoológiai tárgyú ismeretterjesztő cikket is írt.