Ekologie a ekogenetika I. ...aneb těžký život parazitů
Ekologie a ekogenetika I.
...aneb těžký život parazitů
Praktika v příštím týdnu
• Polymorfismus a jeho význam v ekogenetice
• Parazitismus – životní strategie parazitických organismů, diagnostika parazitóz
• Test nebude (18.10. děkanský den)
Praktika v týdnu od 23.10.• Téma: Mutagenní a karcinogenní látky, testování
genotoxicity
• Nelze vyloučit písemný test:– Obsah přednášek EKOLOGIE 1 + 2
– Základy cytogenetiky – aberace chromozomů
– Struktura DNA a RNA, centrální dogma, mutace
• Skripta: Praktická cvičení z klinické cytogenetiky –
kapitola 10, str. 47 – 52
• REFERÁT – databáze IARC (praktická cvičení, str. 52) –
dobrovolníci ze skupin 3+4, 1+2 se přihlásí při
přednášce v příštím týdnu
EKOLOGIE• věda o vztahu organismu k okolnímu prostředí
– Biotické prostředí, resp. biotické faktory (vzájemné vztahy živých
organismů)
– Abiotické prostředí, resp. abiotické faktory (chemické, fyzikální,
geografické a geologické podmínky ovlivňující život organismu)
Mezidruhové vztahyNÁZEV DRUH A DRUH B CHARAKTER VZTAHU
neutralismus 0 0 druhy žijí na stejném stanovišti, ale vzájemně se neovlivňují
kompetice (též konkurence) – –
oba druhy soutěží o stejný potravní zdroj, vztah má zpravidla nepříznivý vliv na populace obou
druhů
komensalismus + 0komensál (druh A) má ze soužití prospěch (zpravidla
potravní), jeho hostitel (druh B) však není ovlivněn
protokooperace + + vzájemně výhodný volný vztah, organismy nejsou v těsném vztahu (na rozdíl od mutualismu)
mutualismus + + těsná kooperace dvou druhů, dříve označována termínem „symbióza“
amensalismus(též antibióza,
resp. allelopatie)0 –
inhibitor (druh A) produkuje látky toxické pro amensála (druh B), sám většinou není ovlivněn
parazitismus + –druh A je parazitem druhu B
(druh B určitou dobu přežívá, není druhem A přímo konzumován)
predace + – druh B je potravou pro druh A(výsledkem interakce je okamžitá likvidace druhu B)
Komensalismus
Mezidruhové vztahyNÁZEV DRUH A DRUH B CHARAKTER VZTAHU
neutralismus 0 0 druhy žijí na stejném stanovišti, ale vzájemně se neovlivňují
kompetice (též konkurence) – –
oba druhy soutěží o stejný potravní zdroj, vztah má zpravidla nepříznivý vliv na populace obou
druhů
komensalismus + 0komensál (druh A) má ze soužití prospěch (zpravidla
potravní), jeho hostitel (druh B) však není ovlivněn
protokooperace + + vzájemně výhodný volný vztah, organismy nejsou v těsném vztahu (na rozdíl od mutualismu)
mutualismus + + těsná kooperace dvou druhů, dříve označována termínem „symbióza“
amensalismus(též antibióza,
resp. allelopatie)0 –
inhibitor (druh A) produkuje látky toxické pro amensála (druh B), sám většinou není ovlivněn
parazitismus + –druh A je parazitem druhu B
(druh B určitou dobu přežívá, není druhem A přímo konzumován)
predace + – druh B je potravou pro druh A(výsledkem interakce je okamžitá likvidace druhu B)
Protokooperace
rak poustevníček a sasanka
Mezidruhové vztahyNÁZEV DRUH A DRUH B CHARAKTER VZTAHU
neutralismus 0 0 druhy žijí na stejném stanovišti, ale vzájemně se neovlivňují
kompetice (též konkurence) – –
oba druhy soutěží o stejný potravní zdroj, vztah má zpravidla nepříznivý vliv na populace obou
druhů
komensalismus + 0komensál (druh A) má ze soužití prospěch (zpravidla
potravní), jeho hostitel (druh B) však není ovlivněn
protokooperace + + vzájemně výhodný volný vztah, organismy nejsou v těsném vztahu (na rozdíl od mutualismu)
mutualismus + + těsná kooperace dvou druhů, dříve označována termínem „symbióza“
amensalismus(též antibióza,
resp. allelopatie)0 –
inhibitor (druh A) produkuje látky toxické pro amensála (druh B), sám většinou není ovlivněn
parazitismus + –druh A je parazitem druhu B
(druh B určitou dobu přežívá, není druhem A přímo konzumován)
predace + – druh B je potravou pro druh A(výsledkem interakce je okamžitá likvidace druhu B)
Bakterie v trávicím traktu – směs komensálů a dalších „symbiontů“
Střevní mikroflora v lidové tvořivosti
„Symbióza“ = protokooperace + mutualismus
(+ komensalismus?) (+parazitismus??)
Mezidruhové vztahyNÁZEV DRUH A DRUH B CHARAKTER VZTAHU
neutralismus 0 0 druhy žijí na stejném stanovišti, ale vzájemně se neovlivňují
kompetice (též konkurence) – –
oba druhy soutěží o stejný potravní zdroj, vztah má zpravidla nepříznivý vliv na populace obou
druhů
komensalismus + 0komensál (druh A) má ze soužití prospěch (zpravidla
potravní), jeho hostitel (druh B) však není ovlivněn
protokooperace + + vzájemně výhodný volný vztah, organismy nejsou v těsném vztahu (na rozdíl od mutualismu)
mutualismus + + těsná kooperace dvou druhů, dříve označována termínem „symbióza“
amensalismus(též antibióza,
resp. allelopatie)0 –
inhibitor (druh A) produkuje látky toxické pro amensála (druh B), sám většinou není ovlivněn
parazitismus + –druh A je parazitem druhu B
(druh B určitou dobu přežívá, není druhem A přímo konzumován)
predace + – druh B je potravou pro druh A(výsledkem interakce je okamžitá likvidace druhu B)
Allelopatie neboli antibióza
Houby Epicoccum nigrum a Sclerotinia
sclerotiorum(hlízenka hlíznatá) Antibiotický test na
bakteriích
Mezidruhové vztahyNÁZEV DRUH A DRUH B CHARAKTER VZTAHU
neutralismus 0 0 druhy žijí na stejném stanovišti, ale vzájemně se neovlivňují
kompetice (též konkurence) – –
oba druhy soutěží o stejný potravní zdroj, vztah má zpravidla nepříznivý vliv na populace obou
druhů
komensalismus + 0komensál (druh A) má ze soužití prospěch (zpravidla
potravní), jeho hostitel (druh B) však není ovlivněn
protokooperace + + vzájemně výhodný volný vztah, organismy nejsou v těsném vztahu (na rozdíl od mutualismu)
mutualismus + + těsná kooperace dvou druhů, dříve označována termínem „symbióza“
amensalismus(též antibióza,
resp. allelopatie)0 –
inhibitor (druh A) produkuje látky toxické pro amensála (druh B), sám většinou není ovlivněn
parazitismus + –druh A je parazitem druhu B
(druh B určitou dobu přežívá, není druhem A přímo konzumován)
predace + – druh B je potravou pro druh A(výsledkem interakce je okamžitá likvidace druhu B)
Parazitismus
• Úzká koexistence dvou organismů, z nichž jeden (parazit) získává výhody na úkor druhého (hostitele).
• Parazit je na svém hostiteli metabolicky závislý. • Hostitel bývá následkem činnosti parazita zpravidla
v různé míře poškozován.• Parazitace většinou nevede k okamžitému úmrtí
hostitele.• Ve výjimečných případech má parazit na hostitele
z určitého hlediska pozitivní vliv (např. stimuluje jeho rozmnožování, aby se spolu s ním mohl rozmnožit a dále rozšířit) – projevuje se u některých virů a rickettsií.
Parazité v dějinách lidstva
Dracunculus medinensis
Dracunculus medinensis
Dracunculus medinensis
Aeskulapova hůl a logo Mezinárodní zdravotnické
organizace (WHO)
Kdo je a kdo není parazit?
Systematické rozdělení parazitických organismů
• viry virologie• bakterie (Eubacteria) bakteriologie• houby (Fungi) mykologie• prvoci (Protozoa, resp. Protista) protozoologie
– améby, bičíkovci (Sarcomastigophora)– nálevníci (Ciliata)– kokcidie (Apicomplexa, Sporozoa)
• živočiši (Animalia)• hlísti (Nemathelminthes)• ploštěnci (Plathelminthes) helminti helmintologie• vrtejši (Acanthocephala)• členovci (Arthropoda)
– korýši (Crustacea)– klepítkatci (Chelicerata)
arachnoentomologie• roztoči (Acarina)
– hmyz (Insecta) entomologie• vši (Anoplura)• blechy (Siphonaptera)• ploštice (Heteroptera)• dvoukřídlí (Diptera)
mik
rob
iolo
gie
par
azit
olo
gie
Základní rozdělení parazitů
• obligátní parazité
• fakultativní parazité
Obligátní parazité• Jsou úzce vázáni na přítomnost
hostitele, žijí výhradně paraziticky. Do této skupiny patří také organismy, u nichž jsou parazitická pouze některá vývojová stadia (např. larvy).– Příklady : všechny viry, většina
známých patogenních prvoků (Trypanosoma, Plasmodium apod.), klíště (Ixodes ricinus; parazitují všechna vývojová stadia), komáři (Aedes, Anopheles; samičky sají krev teplokrevných živočichů), tasemnice (Taenia solium, resp. Taenia saginata), škrkavka (Ascaris lumbricoides)
Fakultativní parazité• Žijí volně v přírodě. Za určitých
podmínek (např. kontakt s oslabeným hostitelem) mohou přejít k parazitickému způsobu života. Přítomnost hostitele však pro jejich vývoj není nutná. Mohou často způsobovat velmi závažná onemocnění.
– Příklady : améby rodů Naegleria a Acanthamoeba (žijí v půdě a vodě, při infekci člověka způsobují amébovou menigoencefalitidu s velmi těžkým, většinou smrtelným průběhem)
Hyperparazité
• parazitické
organismy, jejichž
hostiteli jsou jiní
parazité– Příklady : bakterie Yersinia
pestis (původce moru)
infikující blechu morovou
(Xenopsylla cheopis);
ploštěnci rodu Udonella
cizopasící na parazitických
korýších
Klasifikace parazitů podle lokalizace na těle hostitele
• Ektoparazité žijí na povrchu těla (kůže) nebo na povrchových orgánech (např. žábrách) svého hostitele.– Příklady : klíště (Ixodes ricinus), blecha obecná
(Pulex irritans), veš dětská (Pediculus humanus capitis)
• Endoparazité žijí uvnitř těla hostitele. Dělíme je do dvou skupin :– extracelulární paraziti, kteří nepronikají do buněk
• Příklady: streptokoky, houby rodu Aspergillus, prvoci Trypanosoma gambiense a Trypanosoma rhodesiense, většina helmintů
– intracelulární paraziti, kteří žijí a rozmnožují se uvnitř buněk
• Příklady: všechny viry, mykobakterie, prvoci rodu Plasmodium, Trypanosoma cruzi
Základní znaky a projevy adaptace parazitických organismů
• morfologické adaptace
• fyziologicko-biochemické adaptace
• reprodukční adaptace
• etologické (behaviorální) adaptace
• genetické adaptace
Morfologické adaptace
• velikost (jsou výrazně menší než hostitel)
• redukce strukturální složitosti (zjednodušení nebo chybění některých orgánových soustav)
• rozvoj specifických orgánů a struktur umožňujících vstup do těla hostitele, příjem živin, ochranu před imunitními mechanismy a produkci velkého množství potomstva
Ergasilus
Cyclops
Fyziologicko-biochemické adaptace
• schopnost inaktivace enzymů hostitele, ochrana proti peroxidům, superoxidům a jiným toxickým látkám vznikajícím v hostitelském organismu
• změny metabolismu, zejména schopnost změny aerobního metabolismu na anaerobní a naopak, schopnost přežití v podmínkách úplné anoxie
Reprodukční adaptace
• vysoký reprodukční potenciál (většina parazitů jsou r-stratégové)
• možnost asexuálního rozmnožování (pouze u některých parazitů)
• složité vývojové cykly (větší počet vývojových stádií, střídání hostitelů během vývoje, střídání klidových a pohyblivých vývojových stádií atd.)
K- a r-strategie
• K-stratégové produkují zpravidla menší počet
potomstva, které je však po fyziologické a anatomické
stránce velmi dobře vyvinuto a je schopno se do jisté
míry přizpůsobit změnám prostředí.
• r-stratégové produkují větší počet potomstva, které má
většinou jednodušší tělesnou stavbu a těžko se
přizpůsobuje změnám prostředí. Populace r-stratégů
mají vysokou růstovou rychlost, větší část potomstva
však zpravidla umírá. K r-stratégům patří naprostá
většina parazitů.
Reprodukční adaptace
• vysoký reprodukční potenciál (většina parazitů jsou r-stratégové)
• možnost asexuálního rozmnožování (pouze u některých parazitů)
• složité vývojové cykly (větší počet vývojových stádií, střídání hostitelů během vývoje, střídání klidových a pohyblivých vývojových stádií atd.)
Fasciola hepatica – životní cyklus
Plasmodium – životní cyklus
Etologické (behaviorální) adaptace
• specifické typy chování umožňující nalezení svého
hostitele a dosažení vhodného místa v jeho organismu
• manipulace chování hostitele umožňující další rozšíření
parazita
– Manipulační aktivita – parazit ovlivňuje chování svého hostitele
tak, aby se mohl lépe šířit.
• Předpokládá se např. u některých pohlavně přenosných parazitů
(bakterie Neisseria gonorrhoeae, původce kapavky), kteří svým
působením zvyšují sexuální apetenci svého hostitele.
• Manipulační aktivitu vyvíjí pravděpodobně jeden z nejrozšířenějších
parazitů – prvok Toxoplasma gondii. Podle některých předpokladů
se jeho vliv může projevit i změnou psychiky infikované osoby.
Genetické adaptace
• redukce genomu – nejnápadnější u virů, které plně využívají hostitelský genom, projevuje se však i u některých patogenních bakterií
• přítomnost genů pro syntézu specifických proteinů umožňujících kontakt a průnik do hostitelské buňky a využití jejího genomu (zejména u virů, zčásti u bakterií)
• schopnost interakce s hostitelským genomem a jeho ovlivnění
Redukce genomu u bakterií
Druh Rozsah genomu Charakteristika
Escherichia coli 4,1 Mb
•Komensálové v trávicím traktu člověka•Po určitou dobu jsou schopni žít volně v přírodě.•Některé kmeny mohou být patogenní.
Haemophilus influenzae
1,8 Mb
•Neopouzdřené formy žijí jako komensálové v dýchacím traktu.•Opouzdřené formy způsobují sinusitidy, laryngotracheitidy, otitidy, pneumonie a v dětském věku i zhoubné meningitidy.
Mycoplasma genitalium
0,58 Mb (cca 470 genů)
•Obligátní parazit•Původce některých forem uretritidy mužů
• redukce genomu
• přítomnost genů pro syntézu specifických proteinů umožňujících kontakt a průnik do hostitelské buňky a využití jejího genomu (zejména u virů, zčásti u bakterií)
• schopnost interakce s hostitelským genomem a jeho ovlivnění (typické u virů, prokázáno však i u jiných parazitů – např. Trichinella spiralis)
Další genetické adaptace
Jak se žije s parazitem?
Patogenní účinky parazitických organismů
• přímé– mechanická destrukce buněk a tkání (např. při pučení virů z buňky,
při nadměrném rozmnožení parazitů v některém orgánu, při průniku parazitů přes kůži atd.)
– destrukce buněk pomocí enzymů, např. proteáz nebo kolagenáz, které produkují zejména některé bakterie a prvoci
– produkce toxinů (Clostridium tetani, někteří prvoci)
• nepřímé– poškození a vyčerpání organismu vlivem obranné reakce (zánětu);
buňky organismu napadené parazitem jsou likvidovány imunitními mechanismy
– imunopatologické stavy (alergické reakce, autoimunitní onemocnění)
– poruchy psychiky, změny chování (často výsledek manipulační aktivity parazita)
– malformace plodu, zejména pokud došlo k infekci matky během těhotenství
Biologické teratogeny• zejména prvok
Toxoplasma gondii,
virus rubeoly,
Cytomegalovirus,
Herpes simplex virus
• tato infekční agens
s teratogenními účinky
se souborně označují
akronymem TORCH
Toxoplazmóza
Jak oklamat imunitní systém?
Imunitní systém
Mechanismy úniku parazitů před obrannými reakcemi hostitelského
organismu
• ukrytí uvnitř buněk (intracelulární paraziti), v některých případech integrace do genomu (viry)
• variabilita povrchových antigenních struktur• genetická plasticita • integrace molekul hostitele na povrch buňky nebo
těla parazita• inhibice fagocytózy, popř. zábrana fúze fagosomu
s lysozomy • odstranění povrchových histokompatibilitních
molekul hostitelské buňky (adenoviry, herpes viry)• štěpení protilátek• produkce látek blokujících průběh imunitní reakce
(např. protizánětlivé produkty virů)
Variabilita povrchových antigenních struktur
Trypanosoma gambiense (původce spavé nemoci)
Variabilita povrchových antigenních struktur
Variabilita povrchových antigenních struktur
VSG – variable surface glycoproteins
Variabilita povrchových antigenních struktur – molekulární mechanismus
BC-VSG1 BC-VSG2 BC-VSG3
ESAG1 ESAG2 ELC-VSGaP
polygenní transkript
BC-VSG1 BC-VSG2 BC-VSG3
ESAG1 ESAG2 ELC-VSG2
VSGa
P
replikace a transpozice do oblasti exprese
polygenní transkript
Genetická plasticita
Reverzní transkriptáz
a
Virus HIV
Reverzní transkriptáza
• „A machine for making errors“• Chyby v reverzní transkripci vedou k mutacím.• Vysoká mutabilita viru vylučuje možnost likvidace viru imunitním systémem
omezuje účinnost léčebného zákroku.
Další mechanismy úniku parazitů před obrannými reakcemi hostitelského organismu
• integrace molekul hostitele na povrch buňky nebo
těla parazita (nebezpečí vzniku autoimunitních
onemocnění)
• inhibice fagocytózy, popř. zábrana fúze fagosomu
s lysozomy
• odstranění povrchových histokompatibilitních
molekul hostitelské buňky (adenoviry, herpes viry)
• štěpení protilátek
• produkce látek blokujících průběh imunitní reakce
(např. protizánětlivé produkty virů)
MOLEKULÁRNÍ MECHANISMY PARAZITISMUVZTAH GENOMU PARAZITA A HOSTITELE
Genom hostitele
Genom parazita
genetická plasticita,
antigenní variace
mRNA mRNA
protein protein
integrace do hostitelského
genomu
Ig