АССОЦИАЦИЯ ПОБЕДИТЕЛЕЙ ОЛИМПИАД

Одноклеточные паразиты. Жизненные циклы, способы защиты и любовь к котикам

Одноклеточных паразитов невероятно много: это и некоторые зелёные водоросли^[1], и не то амёбы, не то жгутиконосцы неглерии^[2], вызывающие смертельно опасный менингоэнцефалит, и предельно упростившиеся и потерявшие многоклеточность родственники медуз – Myxozoa^[3]… словом, тысячи их, а ведь есть ещё бактерии, которых мы здесь не касаемся. Какие-то паразиты доводят своего хозяина до смерти, какие-то влияют на его жизнь совсем незначительно, а некоторые полностью преобразуют его поведение и даже изменяют его пол.

Стоит отметить, что одноклеточные организмы могут быть не только паразитами, но и хозяевами, причём в них порой паразитируют многоклеточные животные. Так, например, часть паразитических нематод живут внутри фораминифер^[4].

Самыми распространёнными в заданиях олимпиады одноклеточными паразитами являются трипаносоматиды и споровики. В сегодняшней статье мы рассмотрим несколько наиболее важных паразитических представителей этих систематических групп, разберём, как генетическое заболевание, рыбка гамбузия и кора хинного дерева помогают защититься от малярии и причём тут «Швеппс», а также расскажем, как связаны смелость, уровень дофамина, любовь к котикам и заражение токсоплазмой.

Трипаносома и лейшмания: паразитические кинетопластидные

Трипаносома принадлежит к подтипу^[5] Kinetoplastida и типу Euglenozoa, то есть трипаносомы и лейшмании – родственники эвглен. Половое размножение у них не обнаружено, странные типы деления вроде шизогонии – тоже, всё просто и понятно.

Своё название подтип Kinetoplastida получил благодаря особой органелле – кинетопласту, представляющей собой скопление ДНК единственной (зато большой) митохондрии паразита. Кинетопласт обычно расположен ближе к переднему концу организма, рядом с основанием жгутика.

Ещё одна характерная черта строения трипаносоматид – это наличие так называемой ундулирующей мембраны, которая соединяет жгутик и всё остальное «тело» простейшего. Благодаря ей трипаносомы и лейшмании могут с лёгкостью передвигаться в вязких субстанциях вроде крови. На некоторых стадиях развития ундулирующая мембрана может исчезать, а основание жгутика – смещаться к переднему концу клетки. Кстати, обратите внимание на то, где у трипаносомы перёд: у той формы, которая встречается в крови человека (трипомастигота), кончик жгутика торчит спереди, а основание (базальное тельце) расположено на заднем конце клетки.

Trypanosoma cruzi вызывает болезнь Чагаса (Шагаса) и живёт в кишечнике и слюнных железах триатомовых клопов, обитающих в Центральной и Южной Америке. Их ещё называют поцелуйными – за то, что любят кусать человека в губы. Романтические чувства клопам чужды, просто мягкую кожу губ легче прокусить. Более того, после укуса насекомое может ещё и беззастенчиво испражниться прямо на месте преступления. Из фекалий клопа простейшее попадает в кровь человека и затем поражает разные органы заболевшего. С момента проникновения паразита в организм до проявления главных клинических признаков болезни Чагаса может пройти несколько десятилетий.

Trypanosoma brucei – африканская родственница T. cruzi, вызывает сонную болезнь. Переносят её мухи цеце (род Glossina). Эти мухи примечательны тем, что им свойственно живорождение, поэтому за один раз вместо десятков и сотен яиц они производят на свет всего одну крупную личинку, которую выкармливают веществом, очень похожим на молоко, на протяжении всего периода развития внутри материнского организма^[6].

После укуса насекомого трипаносомы проникают сквозь гематоэнцефалический барьер и размножаются в спинномозговой жидкости; как следствие, человека ждёт опухание лимфоузлов, слабость и (в худшем случае) смерть через несколько лет.

От трипаносомоза страдают не только люди, но и домашний скот, а вот дикие копытные за долгое время уже привыкли к вызывающему болезнь паразиту. Благодаря этому трипаносома в определённом смысле помогает сохранению дикой природы: в некоторые районы Африки, где очень распространена муха цеце, скотоводы не заглядывают, поскольку животноводство там невыгодно или вообще невозможно, так что дикие животные сравнительно спокойно могут обитать на своей территории^[7].

К сожалению, эффективных лекарств от трипаносомоза пока не найдено, а те, которые есть, чреваты сильными побочными эффектами. Лечение затрудняется тем, что трипаносома умеет периодически варьировать участки гликокаликса, по которому её могут узнать иммунные клетки хозяина. Получается примерно то же самое, что произошло бы, поменяй важный преступник внешность: пока полиция искала бы всюду, скажем, полного мужчину среднего роста с большим носом и тёмными волосами, она не обратила бы внимания на высокого худощавого блондина с правильными чертами лица. Так же и иммунная система хозяина «не видит» поменявшую участки гликокаликса трипаносому.

Рис. 1. Слева: схема строения трипаносомы, поперечный разрез жгутика с ундулирующей мембраной и схема изменения гликокаликса при переходе от насекомого к хозяину. С помощью изменения вариабельных участков гликокаликса паразит пытается избежать иммунного ответа хозяина. Справа: клетки трипаносомы среди эритроцитов, световая микроскопия.

Переносчиком трипаносом могут быть и млекопитающие: Trypanosoma evansi вызывает болезнь под названием сурра и переносится летучими мышами-вампирами (род Desmosus). А вот T. equiperdum вообще в переносчиках не нуждается и передаётся при половом контакте лошадей, вызывая случную болезнь.

Лейшмании – родственницы трипаносом, вызывают кожный лейшманиоз, или пендинскую язву (Leischmania tropica), а также висцеральный лейшманиоз, или кала-азар, или – совсем уж мрачно – «чёрную болезнь» (Leischmania donovani). Симптомы обеих болезней включают появление глубоких незаживающих язв на коже или внутренних органах. Переносят паразитов москиты рода Phlebotomus.

Споровики – деградировавшие водоросли, приспособившиеся к паразитизму

В рамках нашей статьи мы будем рассматривать понятия «споровики» и «Apicomplexa» как синонимы, хотя есть разные мнения насчёт равнозначности этих терминов: иногда во вторую группу включают также некоторых малораспространённых простейших.

Apicomplexa получили своё название благодаря апикальному комплексу (см. рисунок 2). Они относятся к царству Alveolata, а значит, являются родственниками инфузорий и динофитовых водорослей. Жгутика у них нет совсем, а если он и есть, то только у гамет. Зато у споровиков имеется рудиментарный хлоропласт – апикопласт. Хлорофилла в нём уже не осталось, но вместо этого органоид обладает четырьмя мембранами и способностью к выработке жирных кислот. У малярийного плазмодия, кстати, редуцированный хлоропласт тоже присутствует! Более того, он выполняет в «теле» паразита важную функцию. Апикопласт малярийного плазмодия выделяет терпеноиды – характерные для растений летучие вещества, и на их запах слетаются малярийные комары.

Рис. 2. Обобщённая схема строения зоита споровиков. У малярийного плазмодия строение клетки схожее, но коноид отсутствует.

Многие споровики паразитируют на беспозвоночных животных. Таковы, например, грегарины, паразиты членистоногих и кольчатых червей. Грегарины зачастую обитают в половых органах и в пищеварительной системе: их легко можно найти в семенных мешках дождевых червей или в кишечнике таракана.

Клетка грегарин состоит из трёх частей: эпимерита, протомерита и дейтомерита. Первая из них «фиксирует» паразита в клетке хозяина и часто имеет какие-то прикрепительные структуры, а вторые две находятся в просвете органа. Жизненный цикл грегарин гаплобионтный, он включает в себя половое размножение (гамогонию) и производство спор (спорогонию).

Другие представители группы споровиков – эймерии – являются паразитами уже теплокровных животных, таких как кролики или птицы. Их жизненный цикл немного сложнее: он характеризуется ещё и мерогонией – увеличением количества трофозоитов. Получается, что сначала заразивший животное паразит делится и заражает всё большее количество клеток, потом производит гаметы, а затем получившаяся после слияния гамет зигота претерпевает спорогонию. Такой жизненный цикл, состоящий фактически из трёх стадий, – спорогонии, мерогонии и гамогонии – называется «Лейкартовской триадой».

Малярийный плазмодий и устойчивость к малярии

Малярийный плазмодий, род Plasmodium – знаменитый возбудитель малярии. Строение малярийного плазмодия немного отличается от строения типичных споровиков, поскольку у него отсутствуют некоторые части апикального комплекса.

Слово «малярия» происходит от «mala aria» – плохой воздух, потому что раньше считалось, что заболевание вызывают болотные испарения. Сейчас-то понятно, что они «вызывают» только малярийных комаров рода Anopheles: комары откладывают яйца в воду, где развиваются их личинки, впоследствии переносящие плазмодиев. Разные виды плазмодиев вызывают разную малярию: P. vivax и P. ovale – трёхдневную, P. malariae – четырёхдневную, P. falciparum – тропическую.

Жизненный цикл малярийного плазмодия достаточно сложный и включает все три стадии «Лейкартовской триады»: спорогонию, мерогонию и гамогонию. Комар для малярийного плазмодия – окончательный хозяин, то есть хозяин, в котором происходит половое размножение, а человек – промежуточный.

Внутри слюнных желёз комара живут спорозоиты, которые с укусом насекомого попадают в кровь человека. Далее они базируются в печени, где делятся путём шизогонии: внутри клетки образуется множество ядер, а потом вокруг них обособляются клетки (см. рисунок 3). Получившиеся таким образом мерозоиты выходят в кровь, заражают эритроциты и много раз претерпевают шизогонию там; когда мерозоиты синхронно выходят из эритроцитов, у человека наступает приступ малярии. При этом рано или поздно путём шизогонии образуются гамонты. Они попадают в комара и дают гаметы, причём женский гамонт целиком превращается в яйцеклетку, а мужской делится на множество мужских гамет. Удлинённая мужская и кругленькая упитанная женская гаметы сливаются и дают начало зиготе. Зигота – подвижная и удлинённая, за что её называют оокинетой, – заползает под кишечный эпителий комара и порождает там спорозоитов, которые проникают в полость тела и в слюнные железы насекомого; круг замыкается.

Рис. 3. Слева: жизненный цикл малярийного плазмодия (гаплобионтный с зиготической редукцией) ^[8]. Справа: общая схема жизненного цикла споровиков.

Рис. 4. Слева: выход малярийного плазмодия из эритроцита. Справа: памятник рыбке гамбузии, поедающей личинок малярийных комаров, в Сочи. Внизу: количество смертей от малярии на 100 000 человек, статистика на 2013 год. Белым цветом выделены районы, где заражения малярией нет, серым показано отсутствие данных ^[9].

Лекарством против малярии долгое время служил хинин: он не позволяет паразиту переводить токсичный гем (вещество, содержащееся в гемоглобине, переносящем кислород белке) в безопасный для паразита гемозоин. Благодаря хинину возник известный напиток джин-тоник: приехавшие в Индию англичане горькую настойку хинного дерева просто так глотать не желали и, чтобы подсластить пилюлю, добавляли туда лимон, сахар, ну а после и алкоголь. Вскоре они привыкли к своеобразному горьковатому вкусу напитка, поэтому, даже когда необходимость столь радикальных мер защиты отпала, англичане с удовольствием продолжили его употреблять. В составе «Швеппса» хинин можно найти и сейчас^[10].

В настоящее время против малярийного плазмодия используют артемизинин, получаемый из полыни^[11], и некоторые другие вещества. Тем не менее лучшей защитой от малярии являются профилактические меры – уничтожение малярийных комаров и их личинок. В СССР для этого использовали гамбузию – небольшую рыбку, поедающую личинок малярийных комаров. Теперь в Сочи стоит памятник гамбузии, ведь благодаря ей малярийных комаров практически не осталось^[12].

Оригинальный вариант борьбы с малярией был предложен в связи с открытием системы CRISPR-Cas, используемой в биотехнологии для редактирования генома. Теоретически возможно вставить в хромосомы комара ген, не позволяющий насекомому переносить малярийного плазмодия (или, в более радикальном варианте, как-то вредящий самим комарам, например, приводящий к бесплодию). Помимо этого, можно выпустить «изменённого» комара в дикую природу и сделать так, чтобы вживлённый ему ген быстро распространился по популяции. Тогда опасные комары превратятся в безопасных^[13].

Интересно, что защитить человека от малярии могут и заболевания, в той или иной степени повреждающие эритроциты. Например, снижает риск заражения малярией серповидно-клеточная анемия (при этом заболевании нарушается структура гемоглобина и эритроциты приобретают характерную форму серпа), вследствие чего она относительно широко распространена в районах, где обитает малярийный плазмодий. Выгода, правда, довольно сомнительная: если человек является рецессивной гомозиготой, то есть имеет два «испорченных» варианта гена, болезнь протекает очень тяжело. Так что в районах, где малярийных комаров нет, серповидно-клеточная анемия встречается очень редко.

Токсоплазма и любовь к котикам

Токсоплазма (Toxoplasma gondii) – ещё один интересный представитель апикомплексов. Как и эймерия, она относится к группе кокцидий. Окончательный хозяин токсоплазмы – кошка, промежуточный – мышь, крыса или свинья. Жизненный цикл этого паразита представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Жизненный цикл токсоплазмы: a) поглощение мяса, содержащего цисты; b) инвазия энтероцист; c) формирование микрогаметоцитов и макрогаметоцитов; d) формирование ооцисты и выведение её из организма; e) формирование спорозоитов; f) поглощение промежуточным хозяином; g) дифференциация спорозоитов в быстро делящиеся тахизоиты; h) передача паразита потомству в процессе беременности; i) переход в стадию медленно делящихся брадизоитов в тканевых цистах; j) хищничество и передача паразита неполовым путём; k) хищничество^[14].

Самое интересное, что токсоплазма может влиять на поведение мыши: грызун становится смелее и перестаёт бояться запаха кошачьей мочи, у него отмечается тенденция к исследовательскому поведению. В связи с этим заражённых мышей гораздо легче поймать, что и способствует расселению паразита (увы, героическую мышь в результате съедают). Подобное действие токсоплазмы связано с повышением у мыши уровня дофамина – нейромедиатора, отвечающего за целеполагание и мотивацию.

Заражённость людей токсоплазмой очень высока: в среднем токсоплазмозом больны до 35 % мирового населения. Если паразит так меняет поведение мыши, не может ли он аналогичным образом воздействовать на человека? И уж не токсоплазмой ли объясняется всеобщее восхищение котиками?! Влияние токсоплазмы на поведение человека сейчас активно исследуется^[14]. Есть данные о том, что заражённые токсоплазмой люди действительно по-другому себя ведут: женщины становятся более тёплыми и отзывчивыми, а мужчины, наоборот, более резкими и даже грубыми; у обоих полов наблюдается повышенное чувство вины. Конкретную любовь к котикам паразит, наверное, всё-таки не вызывает, а вот обратная зависимость существует: любовь к братьям нашим меньшим точно может спровоцировать заражение. Но оно обычно неопасно, ведь токсоплазмоз остаётся для человека почти незамеченным и не наносит ему ощутимого вреда. Исключение составляют люди с ослабленным иммунитетом и беременные женщины. У последних паразит, расселяясь по телу, попадает в развивающийся плод и способен привести к прерыванию беременности или тяжёлым порокам развития, так что беременным стоит хорошо подумать, прежде чем гладить милого и пушистого котика.

Рис. 6. Слева: окончательный хозяин токсоплазмы. Справа: строение двух тахизоитов Toxoplasma gondii, трансмиссионная электронная микроскопия. Обратите внимание на коноид (co), микронемы (mn), роптрии (ro) и ядро (nu)^[15].

В заключение

Конечно, в рамках одной статьи невозможно охватить всех представителей паразитических одноклеточных. Полностью за пределами нашего рассмотрения остались прокариоты, а также многие одноклеточные эукариоты, не менее интересные, чем токсоплазма и малярийный плазмодий^[16]. Подобный выбор предмета исследования объясняется тем, что в заданиях олимпиады чаще всего можно встретиться именно со споровиками и кинетопластидными; и это паразиты, о которых действительно стоит знать.

У трипаносомы и лейшмании, паразитов человека, вызывающих болезнь Чагаса, сонную болезнь и лейшманиоз, половое размножение не найдено, в то время как для споровиков характерен сложный жизненный цикл, называемый «Лейкартовской триадой» и включающий в себя стадии гамогонии, спорогонии и мерогонии (последняя отсутствует у грегарин). Одни представители споровиков неопасны для человека (например, грегарины); другие, такие как токсоплазма, часто заражают людей, но угрожают их здоровью лишь в отдельных случаях. А вот малярийный плазмодий представляет собой серьёзную медицинскую проблему, поскольку малярия уносит сотни тысяч жизней.

Уже немало сделано для того, чтобы выяснить, как бороться с упомянутыми болезнями: секвенированы геномы некоторых паразитов и их переносчиков (см. обзор, посвящённый анализу генома мухи цеце), изучены детали строения простейших (так, у малярийного плазмодия обнаружено наличие апикопласта), определены потенциальные белки-мишени, на которые можно воздействовать, – однако многое ещё только предстоит сделать. Понимание того, как устроены паразиты, их жизненные циклы и переносчики, поможет нам в дальнейшем справляться с вызываемыми ими заболеваниями. И, конечно, правильно отвечать на вопросы биологических олимпиад.

Приложение. Важнейшие протисты – паразиты человека (таблица)

Название и систематическое положение паразита	Название болезни	Переносчик, способ заражения
*Trypanosoma* *cruzi* – трипаносома американская Класс Trypanosomida (= Trypanosomatida) Подтип Kinetoplastida Тип Euglenozoa Царство Discoba Супергруппа Excavata	Болезнь Чагаса (Шагаса).	Переносчик – триатомовые, или поцелуйные, клопы.
*Trypanosoma* *brucei* *gambiense* *Trypanosoma* *brucei* *rhodesiense* *– африканская трипаносома*	Сонная болезнь.	Муха цеце (Glossina).
*Leischmania tropica* – *лейшмания* Класс Trypanosomida (=Trypanosomatida) Подтип Kinetoplastida Тип Euglenozoa Царство Discoba Супергруппа Excavata	Кожный лейшманиоз, или пендинская язва. Симптомы болезни включают появление глубоких незаживающих язв на коже.	Москиты рода Phlebotomus.
*Leischmania* *donovani* *– лейшмания*	Висцеральный лейшманиоз, или кала-азар («чёрная болезнь»). Симптомы болезни включают появление глубоких незаживающих язв на внутренних органах.	Москиты рода Phlebotomus.
*Plasmodium* *vivax, ovale, malariae, falciparum* *– малярийный плазмодий* Класс Haemosporidia – Кровяные споровики Подтип Aconoidasida Тип Apicomplexa Царство Alveolata Супергруппа SAR	Малярия, соответственно трёхдневная (2 вида), четырёхдневная и тропическая.	Комар рода Anopheles.
*Toxoplasma* *gondii* *– токсоплазма* Тип Coccidea – кокцидии Царство Apicomplexa Cупергруппа Alveolata Супергруппа SAR	Токсоплазмоз.	Два хозяина: кошка и мышь/крыса/свинья. Заразиться можно, погладив котика или съев сырую свинью/ (мышь/крысу).
*Giardia – лямблия* Класс Diplomonada Тип Fornicata Царство Metamonada Супергруппа Excavata	Вызывает лямблиоз, живёт на поверхности кишечного эпителия человека и других млекопитающих. Размножается делением.	Цисты естественным путём попадают во внешнюю среду, могут попасть в питьевую воду, немытые фрукты-овощи.
*Trichomonas vaginalis –* *трихомонада* Класс Trichomonada Тип Parabasalea Царство Metamonada Супергруппа Excavata	Трихомониаз.	Легко и приятно передаётся половым путём и легко лечится.
*Entamoeba* *hystolytica* *– дизентерийная амёба* Тип Archamoeba Царство Conosea Супергруппа Amoebozoa	Амёбная дизентерия. Живут в кишечнике, вызывают изъязвления, поедают эритроциты.	Цисты попадают во внешнюю среду – в воду – и немытые фрукты-овощи.
*Balantidium* *coli* *– балантидий* Тип Сiliata – Инфузории Царство Alveolata Супергруппа SAR	Паразитирует в кишечнике, вызывая балантидиоз.	Инвазионная стадия – циста, заражение фекально-оральным способом.

Примечания и источники

1. Prototheca – зелёная водоросль, которая вызывает у человека и у животных заболевание под названием прототекоз.

2. Naegleria – род амёб, которые могут отращивать жгутики (или жгутиконосцев, которые могут превращаться в амёб), из типа Heterolobosea, царства Discoba и надцарства Excavata. В условиях высокой температуры вызывают у человека менингоэнцефалит.

Википедия. Список эпизодов телесериала «Доктор Хаус». В 20-21 сериях 2 сезона рассказывается о заражении неглериями.

3. Подробнее о Myxozoa:

https://nplus1.ru/news/2015/11/17/micromedusa

4. А.В. Чесунов, Д.М. Милютин, А.В. Евсеев. Многоклеточные паразиты простейших.

http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/03_00/WORM.HTM

5. Приведённая в нашей статье классификация весьма условна, те же самые группы в других источниках могут назвать типом или классом. В современной систематике вообще существует тенденция отказываться от иерархии «Тип А, Подтип В, Класс С», она заменяется на «Группа А, в составе которой группа В, в составе которой группа С».

Более или менее современное древо жизни можно найти здесь:

http://lifemap-otol.univ-lyon1.fr/

6. Александр Марков. Прочтён геном самой кровожадной мухи на свете. Статья на сайте elementy.ru:

http://elementy.ru/novosti_nauki/432244/Prochten_genom_samoy_krovozhadnoy_mukhi_na_svete

7. О трипаносомозе у животных:

https://en.wikipedia.org/wiki/Animal_trypanosomiasis

8. Сайт, посвящённый паразитам. Здесь можно найти изображения, наглядно представляющие жизненные циклы практически всех паразитов человека.

https://www.cdc.gov/dpdx/az.html

9. World Malaria Report 2014. – 242 с.

http://www.who.int/malaria/publications/world_malaria_report_2014/report/en/

10. О «Швеппсе»:

http://www.coca-colarussia.ru/brands/schweppes/indian-tonic

11. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2015. Nobel Foundation.

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2015/press.pdf

12. Памятник гамбузии в Сочи:

http://sochi.tour52.ru/online/dost/pamyatnik_gambuzii.html

13. Подробнее об упомянутом подходе:

Панчин А. Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей. – Москва: Издательство АСТ: CORPUS, 2016. – С. 274-279.

14. Подробнее о влиянии токсоплазмы на людей:

http://elementy.ru/novosti_nauki/430299/Toksoplazma_parazit_manipuliruyushchiy_chelovecheskoy_kulturoy

15. Jacques Rigoulet, Alain Hennache, Pierre Lagourette, Catherine George, Loïc Longeart, Jean-Loïc Le Net and Jitender P. Dubey – Rigoulet, J., Hennache, A., Lagourette, P., George, C., Longeart, L., Le Net, J.-L. & Dubey, J. P. 2014: Toxoplasmosis in a bar-shouldered dove (Geopelia humeralis) from the Zoo of Clères, France. Parasite, 21, 62. doi:10.1051/parasite/2014062.

16. Замечательная книга, посвящённая паразитам:

Карл Циммер. Паразит – царь природы. Тайный мир самых опасных существ на Земле. – Москва: Изд. «АЛЬПИНА НОН-ФИКШН», 2011. – 368 с.