Adrian Macion

Prezes, Koło Naukowe Biologii Molekularnej UW

Microsporidia to gromada około 1400 pasożytów zwierzęcych, których żywiciele należą do różnorodnych grup systematycznych. Są one jednymi z najmniejszych komórek eukariotycznych, a rozmiar ich genomu jest porównywalny do genomów bakteryjnych. Ich struktura jest niezwykle uproszczona – brak w nich mitochondriów, peroksysomów i centrioli. Posiadają też kilka cech prokariotycznych, np. rybosomy 70S połączone z 5,8S i 28S rRNA. Uproszczenie struktury wiąże się jednak ze znacznym wyspecjalizowaniem tych obligatoryjnych pasożytów wewnątrzkomórkowych. Większość z nich jest istotnymi pasożytami owadów, ale możemy w grupie Microsporidia wyróżnić też gatunki atakujące ryby, skorupiaki i ludzi. Interesująca jest możliwość wykorzystania tych organizmów do walki z malarią. U komarów udokumentowano istnienie symbiotycznych mikrosporydiów, które blokują transmisję Plasmodium spp. 

Zsekwencjonowanie genomu i odkrycie mitosomów w komórkach Microsporidia, które stanowią silnie zredukowane formy pochodzące ewolucyjnie od mitochondriów, umożliwiło klasyfikację tych organizmów jako grzybów. Microsporidia mają kilka cech fizjologicznych wspólnych z grzybami: (i) podział jądra następuje bez rozpadu otoczki jądrowej; (ii) mają podobny mechanizm składania 5’ cap na mRNA; (iii) gromadzą trehalozę i chitynę w zarodnikach; (iv) współdzielą niektóre struktury genetyczne.

Chociaż dziś akceptuje się klasyfikację mikrosporydiów jako grzybów, ich dokładna lokalizacja na drzewie życia pozostaje dyskusyjna. Mogą pochodzić od zredukowanego pasożyta – oznaczałoby to, że uproszczona budowa ich komórek nie jest oznaką prymitywizmu. Adaptacja do bezwzględnego pasożytnictwa wewnątrzkomórkowego doprowadziła do znacznej redukcji genetycznej i strukturalnej, a co za tym idzie – do specjalizacji. Ostateczne określenie klasyfikacji taksonomicznej Microsporidia nie jest zwykłą „rozrywką akademicką”. Oragizmy te wywołują choroby u ludzi, a zaklasyfikowanie ich jako grzybów pozwoliło na określenie potencjalnych leków.

Pierwszym opisanym przedstawicielem Microsporidia był pasożyt infekujący jedwabniki. Badania prowadzono od połowy XIX wieku i pozwoliły one na wyizolowanie patogenu, którego nazwano Nosema bombycis. W 1882 roku organizm ten został zaklasyfikowany do nowej grupy – Microsporidia. Cykl życiowy przedstawicieli tego kladu waha się od uproszczonego do bardzo skomplikowanego. Rozmnażanie może być bezpłciowe, płciowe lub w cyklu mogą występować obie strategie – w zależności od gatunku. Niektóre z mikrosporydiów wymagają żywicieli pośrednich, a ich zarodniki różnią się morfologią i przystosowaniem do danego gospodarza. 

Morfologia zarodnika zazwyczaj obejmuje bardzo grubą, białkową ścianę i ulokowaną pod nia warstwę chityny, ale najbardziej charakterystyczna cechą mikrosporydiów jest włókno polarne. Jest ono elementem, który bezpośrednio bierze udział w procesie inwazji komórek żywiciela. Włókno jest puste w środku i wynicowuje się z zarodnika z dużą prędkością. W spoczynkowym zarodniku rozpoczyna się ono płytą i zawija płytko pod powierzchnią osłon komórkowych w charakterystyczną helisę. Włókno kończy się w okolicy wakuoli tylnej. 

Ryc. 1. Uproszczona prezentacja najważniejszych struktur typowego zarodnika Microsporidia. (grafikę wykonał Robert Siemiątkowski)

Cytoplazma zarodnika otoczona jest standardową błoną komórkową z dwuwarstwową sztywną ścianą komórkową. Ściana egzospory ma gęsty, białkowy matrix; a ściana endospory składa się głównie z chityny. Obie ściany zmniejszają swoją grubość w części szczytowej. Cytoplazma (sporoplazma) jest głównym elementem decydującym o zakaźności zarodnika. Zawiera jedno, rzadziej dwa jądra (diplokarion). Zawiera dużo rybosomów 70S, jednak struktury pozostałych organelli są uproszczone. Dominującą część cytoplazmy zajmuje włókno polarne (w części szczytowej/przedniej i dookoła sporoplazmy) i wakuola (w części tylnej). Za początkiem włókna polarnego znajduje się polaroplast – wielowarstwowa struktura błoniasta. Polaroplast przedni zbudowany jest z ciasno leżących płaskich cystern, a tylny ma rzadszy układ i zawiera głownie cysterny okrągłe. Włókno zbudowane jest z błony i pokryte warstwą glikokaliksu, który zawiera istotne białka receptorowe wymagane do kontaktu włókno-komórka gospodarza. Do około ⅓ długości komórki jest ono wyprostowane, po przekroczeniu granicy polaroplastu zawija się pod błoną komórkową. Liczba skrętów, ich kąt nachylenia i odległość jest cechą diagnostyczną pozwalającą na zaklasyfikowaniu danego zarodnika do gatunku. 

Zarodniki są połykane przez żywiciela, a w kontakcie z błoną śluzową jelita dochodzi do ich aktywacji. Włókno polarne zostaje wystrzelone z komórki i prezentuje na swojej powierzchni białka receptorowe. Włókno w kontakcie z błoną komórki gospodarza zagłębia się w niej i wstrzykuje zawartość zarodnika do tworzącej się wakuoli. Kolejne etapy infekcji przypominają infekcje wirusowe. Metabolizm komórki ulega modyfikacjom, które nakierowane są na zapewnienie pasożytowi odpowiednich warunków rozwoju i replikacji. Większość gatunków Microsporidia przystosowanych jest do infekcji konkretnych gatunków. Ponad połowa gatunków została wyizolowana z Lepidoptera i Diptera. Niektóre powodują ostre schorzenia, które kończą się śmiercią owada, jednak większość z nich to chroniczne patogeny obniżające sprawność i płodność gospodarza. Co najmniej 14 gatunków jest patogennych dla człowieka i wywołuje infekcje oportunistyczne, które nazywane są mikrosporidiozami. Schorzenia te występują więc głownie u osób o obniżonym poziomie odporności na skutek niedożywienia, immunosupresji farmakologicznej lub rozwoju infekcji HIV. Klasycznym objawem klinicznym jest biegunka spowodowana infekcją błony śluzowej i stanem zapalnym. W ciężkich przypadkach może dochodzić do infekcji mięśni, układu oddechowego i moczowo-płciowego. 

Ryc. 2. Etapy „kiełkowania” zarodnika. (grafikę wykonał Robert Siemiątkowski)

A. Zarodnik w formie statycznej/uśpionej.

B. Polaroplast i wakuola tylna zaczynają zwiększać swoje objętości. Powoduje to wzrost ciśnienia sarkoplazmy, która naciska na błonę włókna.

C i D. Włókno ulega wynicowaniu.

E. Jądro komórkowe jest wypychane przez światło włókna.