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)

Mutualismus

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