Molusk Hücrelerinin Çekirdeğinde Parazitlik Yapan Bakterinin Gen Kopyalaması

Bir dizi bakteri, hücre içi parazitizme uyum sağlamıştır, ancak hücre çekirdeği içinde yaşamak gibi "üst düzey pilotaj" oldukça nadirdir. Genellikle çekirdek parazitizmi, protistlerin patojen bakterileri tarafından uygulanır; ancak, Nature Microbiology dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, derin deniz deniz salyangozlarında böyle bir durum tanımlanmıştır. ‘Ca. Endonucleobacter’ bakterileri, Bathymodiolus puteoserpentis ve Gigantidas childressi çift kabuklularının solungaçlarında yaşar, hücre çekirdeğinde bölünür ve 80 bini aşan bir nüfusa ulaşır. Organellerde "şişkinlik" oluştururlar—çekirdek boyutu 50 kat artar. Biyologlar, endonükleobakterin benzersiz adaptasyonlarının temelinde, molusk ev sahibi genomundan (muhtemelen virüsler aracılığıyla) apoptoz inhibütörleri (IAP) faktörlerinin yatmakta olduğunu belirlemişlerdir. Eukaryotlardan bakterilere genetik madde yatay transferinin nadir olduğu düşünülmekle birlikte, yeni çalışma bu örneklerin artan listesine katkıda bulunmuştur.

Parazitizm, evrenselliğiyle dikkat çeken bir fenomendir. Birçok organizma, tam popülasyonlardan bireysel hücrelere kadar en çeşitli organizasyon seviyelerinde diğer varlıklardan tek taraflı yarar sağlamayı öğrenmiştir. Tüm "tam anlamıyla canlı" virüsler, çoğunlukla çekirdek dahil olmak üzere hücre içinde yaşayan parazitlerdir. Daha önce bakteri parazitizminin alt sınırı, eukaryotik hücreler (mikoplazmalar ve mikobakteriler gibi) veya diğer bakterilerin hücreleri (Bdellovibrio bacteriovorus) içinde yaşamaktı. Ancak, bireysel organellerin içinde yaşayan bakterilerin keşfi, özellikle protistlerin çekirdek parazitleri ile, parazitizmin özellikle küçük boyutlardaki yeni bir "atılımı" olmuştur. Bununla birlikte, mitokondriyal veya endoplazmik retikulum içinde parazitlenen bakteriler de bilinmektedir (J. Verbeke et al., 2023. Brucella abortus'un konak hücre dışarı çıkışı BNIP3L aracılı mitofaji gerektirir).

Şekil 1

Deniz suyunda yaşayan birçok hayvan, Endozoicomonadaceae ailesinden gamma-proteobakteri içerir. Genellikle interstisyel ortamda bulunur, parazit veya komensal yaşam tarzı sürdürürler; ancak, ailenin bazı üyeleri hücrelerin içinde yaşar. İlk Endozoicomonadaceae 2007 yılında karideslerden izole edilmiştir; ardından süngerlerden, mercanlardan ve balıklardan olmak üzere çeşitli deniz hayvanlarından bakteriler takip etmiştir. Laboratuvarda şu ana kadar başarılı bir şekilde kültürlenebilen tüm ailenin bakterileri, aerobik veya fakultatif anaerobik hücrelerdir ve heterotrofik beslenme özelliği taşır.

Çekirdek paraziti prokaryotlar daha önce biliniyordu; esas olarak protistleri enfekte ederler, ancak hayvanları değil (F. Husnik et al., 2021. Protistlerle bakteriyel ve arkeal simbiyozlar). Endozoicomonadaceae'nin sadece bir kladı, çekirdek parazitlerini içeren ‘Ca. Endonucleobacter’dir (Ca. veya Candidatus, bu tür bakterilerin iyi karakterize edildiği, ancak henüz laboratuvar kültürü elde edilmediği anlamına gelir). Endonükleobakter, derin deniz çift kabuklu moluskların hücre çekirdeklerini enfekte eder (Şekil 1).

Amerika Birleşik Devletleri ve Almanya'dan bilim insanlarının yeni çalışmasında, Mid-Atlantik sırtındaki hidrotermal sıcak su kaynaklarından yakalanan Bathymodiolus puteoserpentis ve Meksika Körfezi'nde sürekli düşük sıcaklıklarda yaşayan Gigantidas childressi türlerinin dokuları incelenmiştir. Genellikle, bu çift kabuklu moluskların solungaç hücreleri, hayvanlara kimyasal dönüşümler yoluyla organik madde sağlayan ototrofik bakterilerle enfekte olmuştur. İncelenen makalenin yazarları, bu moluskların her birinden bir yeni parazitik çekirdek içi bakteriyi tanımlamış ve bunlara ‘Ca. Endonucleobacter puteoserpentis’ ve ‘Ca. Endonucleobacter childressi’ tür epitetleri verilmiştir. DNA’ları sıralanmış, tam genomları toplanmış, transkriptomları, proteomları açıklanmış ve metabolizma hakkında bilgi elde edilmiştir. Parazit ve konak için yüksek hassasiyetli RNA sıralama ile birlikte kullanılan lazerle yakalama mikrodisseksiyonu, enfeksiyonun farklı aşamalarında etkileşimlerini ortaya koymuştur. ‘Ca. Endonucleobacter’in yerleşimi, in situ floresan hibridizasyon (FISH) ile izlenmiştir.

Araştırmacılar, çekirdek parazitinin, zaten simbiyotik bakteriler içeren molusk hücrelerini asla enfekte etmediğini belirtmişlerdir. Bu, farklı cinsleri ve uzak akvatik bölgeleri temsil eden her iki incelenen çift kabuklu türü için geçerlidir ve simbiyontların tipine bağlı değildir (G. childressi yalnızca metanoksitleyici bakterilere sahipken, B. puteoserpentis metan ve sülfür oksitleyici bakterilere sahiptir). Dahası, bu desen, 13 yıl arayla yakalanan aynı tür moluskların doku örneklerinde de izlenmektedir. Görünüşe göre, simbiyontları olan epitel hücrelerin parazit tarafından enfekte edilmesinin imkansızlığı, yüzey değişikliklerinden kaynaklanmaktadır; bu hücreler, parazitlerin hücrelerin içine girmesi için kullanabileceği siller ve mikrovilluslardan yoksundur.

Aynı zamanda, iki molusktaki parazitlerin doku dağılımı büyük ölçüde farklılık göstermektedir (Şekil 1). G. childressi'nin solungaçları, yalnızca dışta bulunan sillerin taşıyıcı kısmında çekirdek parazitlerini içerirken, B. puteoserpentis'te bakteriler tüm solungaç dokularına eşit olarak dağılmıştır. Endonükleobakterlerin genomları, nispeten küçük ve düşük GC içeriğine sahiptir. Metagenomik analiz, ‘Ca. Endonucleobacter puteoserpentis’ ve ‘Ca. Endonucleobacter childressi’ bakterilerinin DNA'larının önemli farklılıklar içerdiğini göstermiştir; bu bakterilerin genomları ortalama olarak yalnızca %84,3 oranında benzerlik göstermektedir. 42 başka genomun filogenetik analizi, endonükleobakterlerin monofiletik bir kökene sahip olduğunu ve en yakın akrabalarının düzenli olarak Endozoicomonadaceae ailesine ait olduğunu ortaya koymuştur (Şekil 2).

Şekil 2: ‘Ca. Endonucleobacter’ enfeksiyon döngüsü.

Tek bir ‘Ca. Endonucleobacter’, midye hücresi çekirdeğini enfekte eder (enfeksiyonun erken aşaması), uzar ve bölünür (enfeksiyonun orta aşaması) ve nihayetinde, uzamış hücrelerin septasyonuyla aktif olarak bölünür (enfeksiyonun geç aşaması). Son aşamada, midye hücresi çekirdeği 50 kat büyüyerek patlar ve parazitler çevreye çıkar. a - Enfeksiyonun erken (E), orta (M) ve geç (L) aşamalarında ‘Ca. Endonucleobacter’. Orta panel: FISH ile elde edilen görüntüler; alt panel: geçiş elektron mikroskobu ile elde edilen görüntüler. Spesifik FISH boyaları, parazitin hücre çekirdeklerindeki yerleşimini (sarı) gösterir (DNA, mavi DAPI ile boyanmıştır) ve simbiyont içeren komşu hücreleri (kesik çizgilerle gösterilir). Harflerle gösterimler: e - ‘Ca. Endonucleobacter’; c - kromatin; ne - çekirdek zarı. b - ‘Ca. Endonucleobacter’ ve 42 akrabası bakterinin genomlarından elde edilen 172 koruyucu işaret geninin kullanıldığı filogenetik analiz. Ağaç, binlerce tekrar esas alınarak inşa edilmiştir. İncelenen makaleden görüntü.

Bir sonraki önemli soru, bu kadar sıra dışı ekolojik nişte yaşayan bakterilerin neyle beslendiğidir? Besin maddeleri açısından belirgin bir eksiklik yaşamazlar; bölünme sırasında 80 bin hücreye kadar ulaşarak çekirdeği 50 kat uzatırlar. Daha önce, çekirdek içinde yaşayan bakterilerin nükleik asitler (DNA ve RNA) ve kromatinle beslendiği hipotezi ortaya atılmıştır. Elde edilen verilere dayanarak, yazarlar, Endonucleobacter'in kaydedilen büyüme oranlarının önemli ölçüde arttığını ve bu bakterilerin genellikle özgün bir zenginleştirme profili gösterdiğini belirtmişlerdir. Bu büyüme, suda çözünen besinlerin ve büyük olasılıkla moleküllerin yeterliliği ile ilişkilidir. Üstelik, daha önce bildirilmiş parazitlerin, konakların hücre içinde yeterince zengin besin bulamadığı yerlerde (örneğin, endoplazmik retikulumda) parazitlik yapmadıkları gözlemlenmiştir.

Yeni keşfedilen çekirdek parazitleri, ilk kez deniz ortamında mikrobiyal çeşitliliği gösterirken, Endonucleobacter bakterilerinin eukaryotlar içinde parazitleşmelerinin aynı zamanda daha geniş ölçekte nasıl meydana geldiğine dair önemli yeni bilgiler sunmaktadır.