Arquitetura variável de microtúbulos no parasita da malária

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 1216 (2023) Citar este artigo

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Os microtúbulos são elementos ubíquos do citoesqueleto eucariótico, tipicamente constituídos por 13 protofilamentos dispostos em um cilindro oco. Esse arranjo é considerado a forma canônica e é adotado pela maioria dos organismos, com raras exceções. Aqui, usamos a criotomografia eletrônica in situ e a média de subvolume para analisar o citoesqueleto de microtúbulos do Plasmodium falciparum, o agente causador da malária, ao longo de seu ciclo de vida. Inesperadamente, diferentes formas de parasitas têm estruturas de microtúbulos distintas coordenadas por centros organizadores únicos. Nos merozoítos, a forma mais estudada, observamos microtúbulos canônicos. Nas formas migratórias de mosquitos, a estrutura de 13 protofilamentos é ainda mais reforçada por hélices luminais interrompidas. Surpreendentemente, os gametócitos contêm uma ampla distribuição de estruturas de microtúbulos variando de 13 a 18 protofilamentos, duplos e trigêmeos. Tal diversidade de estruturas de microtúbulos não foi observada em nenhum outro organismo até o momento e é provável evidência de um papel distinto em cada forma de ciclo de vida. Esses dados fornecem uma visão única de um citoesqueleto de microtúbulos incomum de um patógeno humano relevante.

Os microtúbulos são um componente vital do citoesqueleto em todos os ramos dos eucariotos, formando trilhas para transporte intracelular, suporte estrutural para locomoção e fusos para segregação cromossômica. A polimerização de heterodímeros de α-/β-tubulina forma protofilamentos que interagem lateralmente para formar um cilindro oco. O microtúbulo de 13 protofilamentos é considerado canônico, pois essa estrutura tem sido mais comumente observada em supergrupos eucarióticos amplamente estudados. Embora os primeiros microscopistas eletrônicos tenham encontrado vários exemplos de microtúbulos não canônicos1, a dificuldade em purificar a tubulina nativa funcional de algumas espécies e a dependência excessiva de organismos modelo resultaram em nossa compreensão da biologia dos microtúbulos baseada principalmente no estudo dos microtúbulos metazoários. Exemplos não canônicos, como os microtúbulos de 11 protofilamentos de células especializadas em nematóides2,3 e os microtúbulos de 15 protofilamentos de células pilares da orelha interna4,5, são considerados outliers curiosos. O resultado é que, embora os protozoários sejam um grupo grande e diversificado, muitas de nossas hipóteses sobre seus microtúbulos foram inferidas a partir de estudos de metazoários.

Os parasitas protozoários eucarióticos de Plasmodium spp., contam com um andaime de microtúbulos subpeliculares ordenados (SPMTs) como seus principais componentes estruturais do citoesqueleto. P. falciparum, o agente causador da malária, tem um ciclo de vida complexo alternando entre mosquito vetor e hospedeiro humano (Fig. 1). A extensa coevolução com os dois hospedeiros resultou no patógeno utilizando uma multiplicidade de tipos celulares altamente especializados e morfologicamente distintos, aqui referidos como formas. Embora cada forma seja mestre de um nicho distinto e morfologicamente variado, a presença de SPMTs é uma característica unificadora. Os SPMTs ficam abaixo e interagem com uma membrana dupla conhecida como complexo de membrana interna (IMC), localizado abaixo da membrana plasmática. Juntas, essas estruturas são referidas como a película que é encontrada em Apicomplexa, incluindo, por exemplo, Toxoplasma gondii. A película é quebrada na transição e então reconstruída durante a maturação de cada forma do ciclo de vida, e cada vez é acompanhada por um conjunto diferente de proteínas associadas6,7. Essa reorganização de novo é a força motriz por trás das mudanças morfológicas substanciais do parasita e as SPMTs desempenham um papel fundamental nesse processo8.

um ciclo de vida simplificado do Plasmodium das formas de parasitas aqui estudadas. Os esporozoítos são injetados no hospedeiro. Após a diferenciação no fígado, os merozoítos são liberados no sangue. A maioria entra em um ciclo de replicação assexuada (merozoítos) e uma pequena porcentagem se compromete a se tornar gametócitos. Os gametócitos são captados por um mosquito e, após a fusão dos gametas masculino e feminino no intestino do mosquito, os zigotos se transformam em oocinetos. Os oocinetos atravessam o intestino médio do mosquito, desenvolvem-se em oocistos e formam milhares de esporozoítos, que migram para as glândulas salivares. b Representação esquemática do nosso fluxo de trabalho: (i) parasitas vivos são vitrificados em grades EM. (ii) as células são diluídas em lamela e, em seguida, (iii) fotografadas por criotomografia eletrônica (crio-ET). As séries de inclinação são coletadas e reconstruídas computacionalmente em volumes 3D. c Colunas 1–4: imagens representativas de parasitas em diferentes etapas do fluxo de trabalho. 1: composições de imagens de fluorescência de células destacando a forma geral do parasita. Inserção: representação em quadrinhos de cada estágio. 2: Micrografias de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) mostrando parasitas Plasmodium (alguns em cores falsas em amarelo e verde) cercados por células hospedeiras (asteriscos verdes). 3: micrografias mostrando visões gerais de lamelas. 4: cortes através de tomogramas de exemplo.