Architettura variabile dei microtubuli nel parassita della malaria

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1216 (2023) Citare questo articolo

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I microtubuli sono un elemento citoscheletrico eucariotico onnipresente tipicamente costituito da 13 protofilamenti disposti in un cilindro cavo. Questa disposizione è considerata la forma canonica ed è adottata dalla maggior parte degli organismi, con rare eccezioni. Qui, utilizziamo la crio-tomografia elettronica in situ e la media dei subvolumi per analizzare il cambiamento del citoscheletro dei microtubuli del Plasmodium falciparum, l'agente eziologico della malaria, durante tutto il suo ciclo di vita. Inaspettatamente, diverse forme di parassiti hanno strutture di microtubuli distinte coordinate da centri organizzatori unici. Nei merozoiti, la forma più studiata, osserviamo microtubuli canonici. Nelle forme di zanzara migrante, la struttura del protofilamento 13 è ulteriormente rinforzata da eliche luminali interrotte. Sorprendentemente, i gametociti contengono un'ampia distribuzione di strutture di microtubuli che vanno da 13 a 18 protofilamenti, doppietti e triplette. Una tale diversità di strutture di microtubuli non è stata osservata fino ad oggi in nessun altro organismo ed è probabilmente la prova di un ruolo distinto in ciascuna forma del ciclo vitale. Questi dati forniscono una visione unica di un insolito citoscheletro di microtubuli di un rilevante patogeno umano.

I microtubuli sono una componente vitale del citoscheletro in tutti i rami degli eucarioti, formando tracce per il trasporto intracellulare, supporto strutturale per la locomozione e fusi per la segregazione cromosomica. La polimerizzazione degli eterodimeri di α-/β-tubulina forma protofilamenti che interagiscono lateralmente per assemblarsi in un cilindro cavo. Il microtubulo a 13 protofilamenti è considerato canonico poiché questa struttura è stata più comunemente osservata all'interno di supergruppi eucariotici ampiamente studiati. Sebbene i primi microscopisti elettronici abbiano trovato numerosi esempi di microtubuli non canonici1, la difficoltà nel purificare la tubulina nativa funzionale da alcune specie e l'eccessiva dipendenza da organismi modello hanno portato la nostra comprensione della biologia dei microtubuli a basarsi principalmente sullo studio dei microtubuli dei metazoi. Esempi non canonici, come i microtubuli da 11 protofilamenti delle cellule specializzate nei nematodi2,3 e i microtubuli da 15 protofilamenti delle cellule pilastro dell'orecchio interno4,5, sono considerati curiosi valori anomali. Il risultato è che, sebbene i protozoi costituiscano un gruppo ampio e diversificato, gran parte delle nostre ipotesi sui loro microtubuli sono state dedotte da studi sui metazoi.

I parassiti protozoari eucariotici di Plasmodium spp. si affidano a un'impalcatura di microtubuli subpellicolari ordinati (SPMT) come principali componenti strutturali del citoscheletro. P. falciparum, l'agente eziologico della malaria, ha un ciclo vitale complesso in cui si alterna la zanzara vettore e l'ospite umano (Fig. 1). L'ampia coevoluzione con i due ospiti ha portato l'agente patogeno a utilizzare una moltitudine di tipi cellulari altamente specializzati e morfologicamente distinti, qui indicati come forme. Sebbene ciascuna forma sia padrona di una nicchia distinta e morfologicamente varia, la presenza di SPMT è una caratteristica unificante. Gli SPMT si trovano sotto e interagiscono con una doppia membrana nota come complesso della membrana interna (IMC) situata sotto la membrana plasmatica. Insieme, queste strutture vengono chiamate pellicola che si trova in tutti gli Apicomplexa, incluso, ad esempio, Toxoplasma gondii. La pellicola viene scomposta durante la transizione e poi ricostruita durante la maturazione di ciascuna forma del ciclo vitale, e ogni volta è accompagnata da un diverso insieme di proteine ​​associate6,7. Questa riorganizzazione de novo è una forza trainante dietro i sostanziali cambiamenti morfologici del parassita e gli SPMT svolgono un ruolo chiave in questo processo8.

un ciclo di vita semplificato del Plasmodium delle forme parassitarie studiato qui. Gli sporozoiti vengono iniettati nell'ospite. Dopo la differenziazione nel fegato, i merozoiti vengono rilasciati nel sangue. La maggior parte entra in un ciclo di replicazione asessuata (merozoiti) e una piccola percentuale si impegna a diventare gametociti. I gametociti vengono assorbiti da una zanzara e dopo la fusione dei gameti maschili e femminili nell'intestino della zanzara, gli zigoti si trasformano in ookineti. Gli ookineti attraversano l'intestino medio della zanzara, si sviluppano in oocisti e formano migliaia di sporozoiti, che migrano verso le ghiandole salivari. b Rappresentazione schematica del nostro flusso di lavoro: (i) i parassiti vivi sono vetrificati su griglie EM. (ii) le cellule vengono assottigliate in lamelle e quindi (iii) riprese mediante criotomografia elettronica (crio-ET). Le serie di inclinazione vengono raccolte e ricostruite computazionalmente in volumi 3D. c Colonne 1–4: immagini rappresentative dei parassiti nelle diverse fasi del flusso di lavoro. 1: composizioni di immagini in fluorescenza di cellule che evidenziano la forma complessiva del parassita. Nel riquadro: rappresentazione a fumetti di ogni fase. 2: Micrografie al microscopio elettronico a scansione (SEM) che mostrano parassiti Plasmodium (alcuni in falsi colori in giallo e verde) circondati da cellule ospiti (asterischi verdi). 3: micrografie che mostrano panoramiche delle lamelle. 4: sezioni attraverso tomogrammi di esempio.