Trypanosoma brucei

Trypanosoma brucei on ainurakne eukarüoot, kes põhjustab haigusi nagu Aafrika trüpanosomiaas (unitõbi) inimestel ja nagana loomadel. Need obligatoorsed parasiidid levivad putukatelt imetajatele ja vastupidi. Kuna nende vahe- ja põhiperemehed on väga erinevad, läbib T. brucei oma eluajal keerulisi muutusi, sobitudes eluks putukate soolestikus ja imetajate veresoontes. Samuti on T. brucei unikaalne oma pinna glükoproteiini variandi (VSG) poolest, mis võimaldab vältida peremeesorganismi immuunsüsteemi reageerimist. T. brucei kandja on tsetsekärbes. Esmalt areneb parasiit putuka soolestikus protsükliliseks trüpomastigoodiks ja siis epimastigoodiks. Sealt liigub ta kärbse süljenäärmetesse, kus muundub metatsükliliseks trüpomastigoodiks, mis on parasiidi nakkusvõimeline vorm. Kärbsehammustuse käigus satub parasiit koos süljega imetaja nahka. Seejärel liigub parasiit vereringesse, kus ta paljuneb pooldumise teel. Kui tsetsekärbes joob nakatunud imetaja verd, satuvad trüpomastigoodid uuesti kärbsesse ja elutsükkel algab uuesti. Vereringest võib parasiit rännata ka muudesse kudedesse. T. brucei infektsioon võib ühelt inimeselt teisele edasi kanduda ka kehavedelike vahetamise teel, eelkõige vere kaudu. On kolm erinevat T. brucei alamliiki, mis põhjustavad erinevaid trüpanosomiaasi vorme: T. brucei gambiense – põhjustab inimestel aeglase kuluga kroonilist unitõbe. Levinud Lääne-Aafrikas, kus inimesed on arvatavasti parasiidi reservuaarliik; T. brucei rhodesiense – põhjustab inimestel kiire kuluga ägedat unitõbe. Levinud Ida-Aafrikas, kus peamiseks reservuaariks on arvatavasti kari- ja metsloomad; T. brucei brucei – põhjustab loomadel trüpanosomiaasi, nagu mitmed teised Trypanosoma liigid. T. brucei brucei ei nakata inimesi, kuna on lüüsub inimeste apolipoproteiini L1 toimel. Kuid kuna ta sarnaneb T. b. gambiense ja T. b. rhodesiense alamliikidega näiteks antigeense variatsiooni poolest, kasutatakse teda inimeste patogeenide mudelina ja loomkatsetes. T. brucei rakustruktuur on eukarüootidele tüüpiline. Ebatavaline on tema kinetoplast, milles leidub mitokondriaalset DNA-d ja mis toimib suure mitokondrina. Kinetoplast on ühenduses basaalkehaga, millele kinnitub vibur. Vereringes elavaid järkusid katab pinna glükoproteiini variant (variant surface glycoprotein, VSG), mis asendub tsetsekärbse soolestikus protsükliinidega. Trüpanosomatiididel on mitu elujärku, millest T. brucei'l esineb kaks: epimastigoot, milles tuum asub basaalkeha taga ning piki rakku on kinnitunud pikk vibur; trüpomastigoot, kus tuum on basaalkeha ees. T. brucei trüpomastigoodil esineb protsükliline ja metatsükliline vorm. Erinevalt teistest trüpanosomatiitidest ei kuulu T. brucei elutsüklisse promastigootsed ja amastigootsed vormid. Tsütoskelett koosneb mikrotuubulitest, mis moodustavad subpellikulaarse "korseti". Mikrotuubulid paiknevad paralleelselt piki raku telge. Kui rakk kasvab või jaguneb, moodustuvad olemasolevate tuubulite vahele uued mikrotuubulid. Mikrotuubulid on polaarsed ja asuvad positiivse otsaga raku tagumise osa poole. T. brucei viburil on kaks põhistruktuuri. See koosneb tüüpilisest flagellaarsest aksoneemist (viburi teljeniit), mis paikneb paralleelselt paraflagellaarse ribiga. Paraflagellaarne ribi kujutab endast viburit toestavat proteiinvõret, mis on unikaalne kinetoplastiidsetele, eugleniididele ja dinoflagellaatidele. Flagellaarse aksoneemi mikrotuubulid paiknevad 9+2-struktuuris nii, et "+"-ots on eespool ja "-"-ots basaalkeha sees. See tsütoskeletiosa ulatub basaalkehast kinetoplastini. Vibur on rakukeha tsütoskeletile kinnitunud nelja spetsiifilise mikrotuuuliga, mis paiknevad viburituubulitega paralleelselt ja samasuunaliselt. Viburil on kaks ülesannet – tekitada rakukehas võnkeid, mis võimaldavad rakul liikuda, ja kinnituda tsetsekärbse soolestikus. T. brucei genoom koosneb: 11 paarist suurtest kromosoomidest (1–6 · 106 aluspaari); 3–5 keskmisest kromosoomist (200–500 · 103 aluspaari); ligi 100 minikromosoomi (50–100 · 103 aluspaari), mis võivad haploidses genoomis esineda mitme koopiana. Enamik geenidest asuvad suurtel kromosoomidel. Minikromosoomidel asuvad ainult pinna glükoproteiini geenid. Mitokondriaalne genoom asub kinetoplastis, mis on kinetoplastiidsete algloomade ainulaadne omadus. Kinetoplast ja viburi basaalkeha on omavahel tsütoskeleti kaudu tugevalt ühendatud. T. brucei raku välispinda katab kihina tihe glükoproteiin (molekulaarne mass ~ 1x107 D), mida nimetatakse pinna glükoproteiini variandiks (VSG). See glükoproteiin takistab T. brucei vastase immuunsuse teket peremeesorganismis. VSG-kihil on kaks omadust, mis seda võimaldavad: füüsiline kaitse – glükoproteiinimolekulide tihe paiknemine ei lase immuunrakkudel pääseda ligi parasiidi plasmamembraanile ega teistele pinnaepitoopidele, nagu ioonkanalid, transporterid, retseptorid jne. Glükoproteiinikiht on ühtlane ja koosneb miljonitest molekulidest, mistõttu on immuunrakkudele T. brucei pinnal kättesaadavad ainult glükoproteiinimolekuli N-terminaalsed silmused; perioodiline antigeenne variatsioon – glükoproteiinides tekib sageli stohhastilisi mutatsioone, mis võimaldab rakul ümber lülituda uuele glükoproteiinkihi variandile. Nii väldib parasiit spetsiifilise immuunvastuse kujunemist. T. brucei genoomi sekveneerimisel tuvastati suur VSG-geenide "arhiiv", mis koosneb tuhandetest erinevatest VSG-geenidest. Kõik peale ühe nendest geenidest on vaikivad, kuna iga rakk ekspresseerib ainult ühte VSG-geeni korraga. VSG on väga immunogeenne ja spetsiifilised immuunrakud hävitavad kiiresti parasiidirakud, mis ekspresseerivad nendega komplementaarset valku. Kuid iga uue rakujagunemisega on võimalik, et üks või mõlemad tütarrakud vahetavad ekspresseeritavat VSG-geeni (nähtuse sagedus on umbes 1:100). Spetsiifiline immuunvastus, mis tekkis varem ekspresseeritud VSG vastu, ei pruugi uut VSG-d ära tunda. Kuna spetsiifilise immuunvastuse kujunemiseks on vaja mitu päeva, annab see parasiidirakkudele aega takistamatult paljuneda. Nii suudab parasiit peremeesorganismis krooniliselt elus püsida. Kliiniliselt avaldub see tsükkel parasiteemiliste lainetena. VSG-geenid on väga varieeruvate järjestustega. Kaitsefunktsiooni säilitamiseks on neil teatud struktuursed omadused, mis ei muutu. VSG-d koosnevad väga muutlikust N-terminaalsest domeenist, milles on umbes 300–350 aminohapet, ja püsivamast C-terminaalsest domeenist, milles on ligi 100 aminohapet. C-terminaalne domeen kujutab endast struktuurset neljaahelalist alfaheeliksite kimpu, N-terminaalne domeen aga moodustab heeliksite ümber "oreooli". Oreooli tertsiaarstruktuur on väga püsiv ja võimaldab VSG-del moodustada füüsikalise barjääri, mis on vajalik trüpanosoomi pinna kaitsmiseks. VSG on rakumembraanile ankurdatud glükosüülfosfatidüülinositooli (GPI) molekuli kaudu, mis moodustab C-terminaalse otsaga kovalentse sideme. See ühendab neli glükosüülijääki ja fosfatidüülinositooli fosfolipiidhappega, mis asub rakumembraanis. VSGd moodustavad homodimeere. VSG-geenide arhiiv on vaikivate VSG-geenide kogu T. brucei genoomis. Mõned nendest on täispikkuses geenid, teised on pseudogeenid, millel on osa järjestust puudu või enneaegne stoppkoodon. Uue VSG-antigeeni ekspressioon võib toimuda lihtsalt teisele täispikkusega VSG-geenile ümberlülitumise teel, kuid ainult 5% arhiivist koosneb täispikkuses VSG-geenidest. Selleks, et kasutada ülejäänud vaikivaid geene, on võimalik neid mosaiigina kombineerida, asendades osa ekspresseeritavast VSG-geenist homoloogse regiooniga arhiivist. Rekombinantsete mosaiikide moodustamise võimalus ja suur vaikivate VSG-geenide arhiiv võimaldab parasiidil teoreetiliselt lõputult uusi VSG-sid ekspresseerida, mis on põhiline takistus T. brucei vastase vaktsiini loomisele. Üks põhiküsimus T. brucei puhul on see, kuidas enamikku VSG-geene hoitakse vaikivatena ja kuidas toimub ümberlülitumine vaikivale geenile. Ekspresseeritud VSG-geen asub alati ekspressioonitsoonis – suurte ja keskmiste kromosoomide telomeeridel. Kuigi on vähemalt 20 teadaolevat ekspressioonitsooni, võib aktiivne olla ainult üks neist. Seda võimaldavad mitmed mehhanismid, kuid täpne geenide vaigistamise olemus ei ole veel selge. VSG-geeni on võimalik ümber lülitada kas ekspressioonitsooni muutmisega (aktiivse ala viimine varem vaikivasse kohta) või ekspressioonitsoonis VSG-geeni vahetamisega. Genoom sisaldab palju erinevaid VSG-geenide koopiaid nii minikromosoomidel kui ka suurematel kromosoomidel korduvates järjestustes. Need on peamiselt vaikivad pseudogeenid, mis on mittetäielikud või millel esineb enneaegne stoppkoodon, kuid need on olulised uute VSG-geenide evolutsioonis. Umbes 10% T. brucei genoomist võib koosneda VSG-geenidest ja pseudogeenidest. Iga selline geen võib sattuda rekombinatsiooni teel aktiivsesse tsooni, kus seda ekspresseeritakse. Täpne mehhanism, mis seda juhib, ei ole veel selge. T. brucei mitootiline jagunemine on võrreldes teiste eukarüootidega ebatavaline. Tuumamembraan jääb mitoosi ajal puutumata ja kromosoomid ei kondenseeru. Erinevalt enamiku eukarüootsete rakkude tsentrosoomidest ei moodusta basaalkeha käävi, vaid osaleb kinetoplasti jagunemises. Mitoosi etapid: basaalkeha jaguneb ja mõlemad moodustunud basaalkehad jäävad kinetoplasti külge. Kummalgi basaalkehal tekib oma vibur; toimub kinetoplasti DNA süntees ja kinetoplasti jagunemine, mille käigus eralduvad ka basaalkehad; toimub tuuma DNA süntees ning nooremast basaalkehast kasvab uus vibur; rakutuum jaguneb; toimub tsütokinees; jagunemine lõpeb rakkude eraldumisega. Mati Martin: "Selgrootu oht" Eesti Loodus, 2010/3 Barrett M.P., Burchmore R.J., Stich A. et al. "The trypanosomiases", The Lancet, 2003 Vanhamme L., Paturiaux-Hanocq F., Poelvoorde P. et al. "Apolipoprotein L-I is the trypanosome lytic factor of human serum", Nature, 2003 Robinson, D. R.; Sherwin, T.; Ploubidou, A.; Byard, E. H.; Gull, K. "Microtubule polarity and dynamics in the control of organelle positioning, segregation, and cytokinesis in the trypanosome cell cycle". Journal of Cell Biology. 128 (6): 1163–1172. Ogbadoyi E., Ersfeld K., Robinson D., Sherwin T., Gull K. "Architecture of the Trypanosoma brucei nucleus during interphase and mitosis", Chromosoma, 2000 Barry J.D., McCulloch R. "Antigenic variation in trypanosomes: enhanced phenotypic variation in a eukaryotic parasite", 2001 Overath P., Chaudhri M., Steverding D., Ziegelbauer K. "Invariant surface proteins in bloodstream forms of Trypanosoma brucei", 1994 Turner C.M. "The rate of antigenic variation in fly-transmitted and syringe-passaged infections of Trypanosoma brucei", 1997 Marcello L., Barry J.D. "Analysis of the VSG gene silent archive in Trypanosoma brucei reveals that mosaic gene expression is prominent in antigenic variation and is favored by archive substructure", 2007 Pays E. "Regulation of antigen gene expression in Trypanosoma brucei", 2005