Minsta proteinfabriken i parasiter beskrivs av Umeåforskare

Jonas Barandun, forskare vid The Laboratory for Molecular Infection Medicine, MIMS, vid Umeå universitet och SciLifeLab, visar med hjälp av kryo-elektronmikroskopi unika detaljer om ribosomer i mikrosporidieparasiter. Det är de minsta cellulära ribosomer som påvisats med nära atomär upplösning i en eukaryotisk cell. Resultaten som tagits fram i samarbete med forskare i USA publiceras i vetenskapstidskriften Nature Microbiology.

För 150 år sedan hotades europeisk silkesindustri av en okänd epidemi som tog död på silkesmaskarna. Louis Pasteur identifierade smittkällan och föreslog åtgärder, vilket räddade silkesproduktionen denna gång. I dag vet man att det var en mikrosporidieparasit som orsakade epidemin. Varje år orsakar silkesmasksjukdomar inkomstbortfall i kinesisk silkeindustri på mer än 100 miljoner US-dollar.

Mikrosporidios drabbar inte bara silkesmaskar. Mikrosporidieparasiterna omfattar tusentals olika arter och kan påträffas i celler hos alla djurgrupper. Minst 14 mikrosporidiearter har förmåga att infektera människan. Mikrosporidier hotar inte bara akvakulturer, silkesmaskodlingar och biodlingar, där infektioner kan utplåna hela bisamhällen. Parasiten kan också orsaka livshotande infektioner hos patienter med nedsatt immunförsvar.

Även om mikrosporidios är bland de vanligaste parasitiska sjukdomarna hos djur, är relativt lite känt om deras fascinerande liv på molekylär nivå. Tillsammans med forskare från Rockefeller University och Connecticut Agricultural Experiment Station, USA, publicerar Jonas Barandun, ny gruppledare vid The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden, MIMS, resultat som beskriver den molekylära strukturen hos mikrosporidiens ribosom, dess proteinfabrik. Studien som publiceras i Nature Microbiology visar första gången strukturen hos cellulära ribosomer i en organism med mycket begränsad genetisk information.

Mikrosporidier överlever trots reducerad genuppsättning

Mikrosporidiska parasiter kan överleva som sporer i mark, vatten och luft där deras utveckling kan stanna upp i ett vilande tillstånd. När en annan organism sväljer sporer kan dessa med hjälp av en unik ultrasnabb infektionsmekanism injicera sporernas innehåll i värdcellen.

Inne i en värdcell kan mikrosporidier utnyttja värdens små molekyler för sin egen ämnesomsättning och replikation. Detta parasitiska beteende gör det möjligt för mikrosporidier att överleva utan de gener som en cell normalt behöver. Därför har mikrosporidiers genuppsättning kunnat reduceras till den minsta som någonsin hittats i eukaryoters ribosom, cellulära maskiner, som bildar proteiner i organismer. Tidigare forskning hade visat att mikrosporidie-genomet, med cirka 2 000 höggradigt komprimerade gener, till och med är mindre än vissa bakteriers genom. Eukaryoter är organismer vars celler har en cellkärna. Hit hör växter, djur och svampar.

– Mikrosporidier är alltså minimalister bland de parasitära eukaryoterna och minskar sitt genom till ett minimum som behövs för överlevnad och celldelning. Det gör dem till idealiska modellorganismer för att studera de minimalt nödvändiga komponenter som behövs för molekylära processer i en cell, säger Jonas Barandun.

En stor utmaning var att få tillgång till många cellulära ribosomer, som består av RNA och proteiner. Jonas Barandun samarbetade därför med en mikrosporidiespecialist, Charles Vossbrinck, från Connecticut Agricultural Experiment Station. Han odlade mikrosporidiearten Vairimorpha necatrix i larver av majsmottet Helicoverpa zea, ett skadedjur som förekommer enbart i Nordamerika och Kanada och kan orsaka stor skada på bomulls- och majsgrödor.

Illustration: Strukturillustration av mikrosporidieribosom framtagen av Jonas Barandun med hjälp av kryo-elektronmikroskopiska studier. Under a. visas den stora delen av ribosomet i blått och den mindre delen i gult och orange. De nya faktorer (MDF2 och MDF2) som upptäcktes av forskarteamet syns i rött. b. Mikrosporidie (V.necatrix) ribosomens struktur och genomlängd (RNA) jämförs med jäst(S. cerevisiae). c. Jämförelse av ribosomstrukturen med andra ribosomer inom evolutionen som visar släktskap med svampar (Fungi). Alla delar som fattas i mikrosporidieribosomen är markerade med blå och orange färg.

Från majsmottets larver isolerade forskarna mikrosporidiesporer. Från dessa kunde de extrahera ribosomer för vidare studier med kryo-elektronmikroskopi och masspektrometri. Forskargruppen kunde med hjälp av dessa båda tekniker få fram en modell av den minsta eukaryota cytoplasmatiska ribosomen på nära atomnivå. Hela forskningsprojektet utfördes i laboratoriet av Sebastian Klinge, en ribosomspecialist vid Rockefeller University i New York, tillsammans med Mirjam Hunziker.

Det ribosomala RNA:at är 30 procent kortare än motsvarande molekyl i jästsvampen, som är nära besläktad med mikrosporidier, och till och med 15 procent kortare än i E.coli-bakterien.

Jonas Barandun och hans kollegor kunde nu avslöja strukturen av cellulära ribosomer i mikrosporidier och jämföra med ribosomstrukturer i andra organismer. Mycket överraskande upptäcktes två helt nya proteiner som inte finns i andra ribosomer (se illustrationen). Forskarna avslöjade också att dessa faktorer påverkar mikrosporidiers vilostadium.

– Vi hittade två så kallade dormansfaktorer (MDF1, MDF2) som kan funktionellt inaktivera mikrosporidiernas ribosomer. Dessa är en förutsättning för att parasiten kan stanna av sin livscykel i sporstadiet. Vi vet nu vilken roll dessa två proteiner spelar, säger Jonas Barandun.

Eftersom parasiten är starkt beroende av resurser från sin värd, kan en effektiv avstängningsmekanism för cellulära processer vara fördelaktig för att bevara energi under sporstadiet.

Om artikeln:
Evolutionary compaction and adaptation visualized by the structure of the dormant microsporidian ribosome, Jonas Barandun, Mirjam Hunziker, Charles R. Vossbrinckand Sebastian Klinge, Nature Microbiology, DOI: 10.1038/s41564-019-0514-6.

Läs artikeln i Nature Microbiology

Läs mer om Jonas Baranduns forskning:

http://www.mims.umu.se/groups/jonas-barandun.html

https://barandunlab.org/

För mer information, kontakta gärna:

Jonas Barandun, PhD,forskare och SciLifeLab National Fellow, The Laboratory for Molecular Infection Medicine Sweden, MIMS, Umeå Centre for Microbial Research, UCMR, Institutionen för molekylärbiologi, Umeå universitetTelefon: 070 717 95 11
E-post: jonas.barandun@umu.se

Pressfoton för nedladdning

För högupplöst version av illustrationen ovan, kontakta anna-lena.lindskog@umu.se.

Samarbetspartner i studien:
Mirjam Hunziker, PhD (nu postdoktor vid MIMS)
Sebastian Klinge, PhD, Associate Professor
Laboratory of Protein and Nucleic Acid Chemistry, Klinge Lab

The Rockefeller University, New York, USA

Charles R. Vossbrinck
Department of Environmental Sciences

The Connecticut Agricultural Experiment Station
New Haven, CT, USA