Arhed

1. Arhed

2. Arhesid e. arhebaktereid käsitletakse Bergey käsiraamatu esimeses köites koos teiste evolutsiooniliselt vanade bakteritega. Nende fülogeneesi uurimine algas ca 1977 aastal, kui ilmusid Woese’I ja Foxi tööd, milles nad jagasid elusorganismid 3 suurt rühma – domeeni ja üks rühm baktereid (tuntud praegu arhedena) eristus omaette domeeni.

3. Artikkel PNASis, kus neist domeenidest esmalt juttu tehti, ilmus 1990. aastal. Arhed eristusid Woese’i poolt algatatud 16S rRNA järjestuste vördlemisel. Selgus, et prokarüoodid saab jagada kahte suurde rühma. Rühma, millel oli sarnaseid jooni nii pro- kui ka eukarüootidega, hakati nimetama arhedeks. Archaios tähendab kreeka keeles ürgne.

4. Prokarüoodid Prokarüoote on kahes eluslooduse domeenis: bakterite ja arhede domeenides. Evolutsioonipuu koostatud rRNAde järjestuste põhjal.

5. Arhede domeen jaotatakse Bergey määrajas kahte rühma ja neid käsitletakse mitte kui riike, vaid hõimkondadi: 1) Hõimkond Crenarchaeota. 2. Hõimkond Euryarchaeota.

6. Arhede fülogeneesipuul eristub kaks hõimkonda: Crenarchaeota ja Euryarchaeota

7. Kirjanduses eristatakse arhede domeenis siiski veel kolmandat hõimkonda – Korarchaeota. Sellesse hõimkondakuulusid alguses hüpertermofiilsed mittekultiveeritavad arhed, mis eraldati esmalt 1996 aastal Yellostowne’I rahvuspargist kuumaveeallikast. Nüüd on neid juba ka laborikultuuridena, aga nende omadusi veel kirjeldatud pole. Osa tüvesid eraldatud ka “külmast” keskkonnast - mereveest.

8. Kuna Korarchaeota haru hargneb päris puu juure lähedalt, võiks olla tegu evolutsiooniliselt vana haruga ja seega võiks nende bakterite uurimine anda väga põnevat infot ürgsete bakterite metabolismi jm omaduste kohta. Hõimkonda Korarchaeota veel uues Bergeys sees ei ole.

9. Kolmas haru (hõimkond) arhede puul- Korarchaeota hargneb puu juure lähedalt

10. Nanoarchaeota Hõimkond “Nanoarchaeota” kirjeldati Huberi poolt 2002 aastal. "Nanoarchaeota“ koosneb ühestperekonnast, kuhu kuulub praegu üks liik "Nanoarchaeum equitans." See on väga väike hüpertermofiilne sümbiont, kes kasvab Igniococcus’e pinnal. Igniococcus on autotroofne vesinikku oksüdeeriv ja väävlit redutseeriv arhebakter. Selle bakteri diameeter on 400 nm ja tema meelistemperatuur on 75-98 kraadi. Bakter isoleeriti Islandilt kuumast sügavast veest. Kuna kõik need taksonid on veel puudulikult kirjeldatud, kasutatakse nende nimetustes jutumärke.

11. Nanoarchaeota 16S rRNA analüüs näitab, et nanoarhed võiksid moodustada neljanda arhede hõimkonna. Lisaks bakterile "Nanoarchaeum equitans" on kirjeldatud veel keskkonnast isoleeritud sarnaseid järjestusi. Need saadi kätte mustade suitsetajate lähedusest ja Yellowstone’I rahvuspargi ja Kamtshatka kuumaveeallikatest. Seega võivad need bakterid kuumas keskkonnas üpris levinud olla.

12. Nanoarchaeota a) Nanoarchaeum equitans kinnitumas Igniococcuse pinnale

13. Nanoarchaeota Nanoarchaeum equitans (punased) kinnitumas Igniococcuse (roheline) pinnale. Tuvastatud märgistatud geeniproovidega

14. Nanoarchaeota Nanoarchaeum equitans’i ainevahetusest pole veel midagi teada. Ta ei suuda kasvada Igniococcus’e ekstraktil ja arvatakse, et talle on vajalik otsene kontakt elusa Igniococcuse’e rakuga. Nanoarchaeum equitans’i genoom on sekveneeritud ja see on väikseim genoom arhede hulgas (490 kbp). See on suuruselt enamvähem sama, mis mükoplasmadel.

15. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Kujult võivad arhed olla kokid, pulgad, spiraalsed, sagaralised, plaatjad või ebaregulaarse kujuga. Osa on üherakulised, osa moodustab niite ja agregaate. Rakkude diameeter võib ulatuda 0.1-15 m ja niitide pikkus kuni 200m-ni. Paljunevad peamiselt pooldumisega, aga on kirjeldatud ka pungumist ja fragmenteerumist. Seega kuju poolest arhed eriti ei eristu bakteritest: ka bakterite hulgas on samasuguse kujuga baktereid. Rakukest (mitte ajada segi rakumembraaniga) on arhedel kas valguline või polüsahhariidne. Eubakteritele tüüpilist peptidoglükaani neil tugikomponendina kestas pole.

16. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Grampositiivselt värvuvatel arhedel võib olla kestas peptidoglükaanile sarnane polümeer- pseudomureiin, mille glükaanahelas puudubmuraamhape. Muraamhappe asemel on N-atsetüültaloosamiinuroonhape. Viimase ja N-atsetüülglükoosamiini vahel on beeta-1,3 side, mis ei lüüsu lüsotsüümiga. Bakterite peptidoglükaanis on glükosiidside lüsotsüümiga lüüsitav.

17. Pseudomureiin – ei lüüsu lüsotsüümiga

18. Grampositiivselt värvuvad ka heteropolüsahhariidse kestaga arhebakterid. Struktuurilt on see polüsahhariid sarnane eukarüootide sidekoe kondroitiinile. Selline kest stabiliseerib ka agregaate. Methanosarcina moodustab agregaate

19. Gramnegatiivsetel arhedel on valgulinekest. Valguline kest on näiteks Halobacteriumil, kes elab väga soolases vees (kuni 35% soola). Tema kesta glükosüülitud valgus on palju happelisi aminohappeid, aspartaati ja glutamaati, mis seovad Na ioone. Selline Na-ga seostumine on oluline kesta stabiilsuseks: kui alandada Na kontsentratsiooni, siis rakukest laguneb ja bakter lüüsub. Arhede hulgas on ka kestata bakterid - perekond Thermoplasma, kellel on membraanis tugevduseks lipopolüsahhariidid ja glükosüülitud valgud.

20. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Halobacterium salinarium Viburidon paljudel arhedel olemas, kuid nad on ilmselt bakterite viburitest palju erinevad.

21. Bakteritel kinnitub vibur rakule valgulistest ketastest koosneva basaalkehaga. Flagelliinidest koosnev viburiniit on basaalkehaga ühendatud liigendiga - konksuga

22. Basaalkeha Vibur basaalkehaga

23. Viburidon arhedel peenmad, kui bakteritel. Viburil on konksutaoline struktuur olemas, kuid ketastest koosnevat basaalkeha ilmselt pole. Kui arvestada seda, et basaalkeha kettad seostuvad rakukesta eri kihtidega ja arhede rakukest on omapärane (valguline S-kiht või pseudopeptidoglükaan), siis peakski ta teistsugune olema. Geenijärjestuste uurimine sekveneeritud arhede genoomides on näidanud, et näiteks viburiniidi valke kodeerivad geenid on palju erinevad bakterite vastavatest geenidest. Arhede viburivalgud on ka glükosüülitud.

24. Arhede flagelliinide geenid on oma N-terminuses hoopis sarnased tüüp IV piliinidele. Tüüp IV piilid osalevad mõnedel bakteritel twitching-liikumises. Küll aga paneb ka arhe viburi tööle ioongradient. Bakteritel ja arhedel on leitud sarnasust ka geenides, mis kodeerivad kemotaksise valke. Kemotaksises osalevad näiteks valgud, mis reguleerivad viburi pöörlemissuunda, võimaldades bakteril liikumissuunda muuta (näiteks valk CheY, mis seostub valguga, mis osaleb viburi pöörlemissuuna muutmises).

25. Oletatakse, et arhe vibur ei kasva mitte tipust, vaid alusest, nagu tüüp IV piilgi. Mingit kanalit, mille kaudu saaks monomeere tippu transportida, ei ole leitud ei seda tüüpi piilil ega arhede viburitel. Arhe vibur on ehituselt sarnane tüüp IV piilile

26. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhede histoonid Eukarüootidel on DNA pakitud ümber aluseliste konserveerunud järjestusega valkude - histoonide, moodustades nukleosoome. Nukleosoomide vahele jäävad pakkumata DNA alad. Histoonid on leitud eurüarhedel. Esmalt leiti need Thermoplasma acidophilumil ja näidati, et in vitro võivad nad seostuda DNAga, moodustades nukleosoomitaolisi struktuure. Samas bakteris nähti elektronmikroskoobiga nukleosoomidega DNAd.

27. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhede histoonid Histoonid arhedel on 65-69 ah pikad ja omavahel suhteliselt sarnased. Sarnased on nad ka eukarüootide core- histoonidega H2A, H2B, H3 ja H4. Ilmselt koosenavd arhede nukleosoomid histooni tetrameerist (eukarüootidel oktameerid), mille ümber on pakitud ca 80 bp DNAd. Arvatakse, et eukarüootide oktameerne histoonkompleks võis välja kujuneda arhede tetrameersest. Kompleks suurenes, kuna eukarüootidel on rohkem DNAd. Nendel arhedel, kellel histoone pole leitud, on kirjeldatud histoonitaolised valgud, mis ka seostuvad DNAga.

28. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhedel, millel puudub jäik rakukest (valgulise kestaga Sulfolobus ja kestata Thermoplasma) on oletatud rakuskeleti olemasolu. Eukarüootidele omaseid aktiini, müosiini ja tubuliini pole neil siiski leitud. Aga arvatakse, et arhedel võivad rakuskeleti valkude rollis olla chaperoniinid.

29. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Need on valgulised kompleksid, mis tavaolukorras seostuvad värskelt sünteesitud valkudele ja aitavad neid kokku pakkida. Kuumashoki tingimustes aga seostuvad nad kahjustunud valguga ja kaitsevad seda edasise denaturatsiooni eest. Teatud juhtudel saavad nad taastada valgu stuktuuri, kasutades selleks ATP hüdrolüüsi energiat. Neil on ATP-ga seondumise domään ja ATPaasne aktiivsus.

30. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Chaperoniinide rolli rakuskeleti moodustamises hakati uurima hüpertermofiilsel atsidofiilsel arhel Sulfolobus shibatae, kellel kindlasti on vaja hoolitseda valkude struktuuri säilumise eest, sest tema Topt on 83 kraadi ja pH opt on 3.0. Selle bakteri tshaperoniinid koosnevad kahest suures koguses rakus esinevast valgust. In vitro tõestati fibrillide moodustumine chaperoniinidest arhel S. shibatae. Agregatsiooniks oli vaja Mg ja ATPd.

31. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Agregatsioon sõltus valgu kogusest ja toimus ka lahuses, kus puhvri asemel kasutati ultrafiltreeritud rakuekstrakti, et imiteerida looduslikke tingimusi. Arvutuslikult näidati, et Sulfolobus shibatae rakus on selle valgu hulk nii suur, et tõesti võiks ka in vivo need ahelad rakus moodustuda. Elektronmikroskoopiaga sellised niidid leiti ka.

32. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhedel on näidatud, et chaperoniinid võivad rakus agregeerudes moodustada aktiininiitidele sarnaseid niite, so rakuskeleti. Puhastatud chaperoniinidest in vitro moodustunud fulamendid Elektronmikrofoto aktiininiitidele sarnastest struktuuridest Sulfolobus shibatae rakus.

33. Mis siis ikkagi on nende niitide roll? Üks võimalus on, et nad on ikkagi rakuskeletiks. Sulfolobusel on valguline kest ja seega nö kõva välisskelett puudub. On aga arvatud ka, et need niidid on lihtsalt üks võimalus korrastatult hoida tshaperoniine siis, kui pole vaja parajasti valke pakkida.

34. Arhede üldised ehituslikud iseärasused

35. Membraanid Arhede membraanide lipiidides on eeterside (eeter-lipiidid) Glütserool on eetersidemega seotud hargnenud ahelaga süsivesinikega (fütanool).

36. Eukarüootide ja bakterite lipiidid on esterlipiidid Arhedel on eeterlipiidid

37. Eeterlipiididega membraanid võivad olla kas ühe- või kahekihilised. Dieeter-tüüpi membraan (vasakpoolne joonis) on kahekihiline, tetraeeter-tüüpi membraan aga ühekihiline (alumine joonis). Termofiilsetel arhedel on enam esindatud tetraeeter-tüüpi lipiidid, mis on termostabiilsemad.

38. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Dieeterlipiid Tetraeeterlipiid Dieeterlipiidides on kaks eetersidet, tetraeeterlipiidides aga neli eetersidet.

39. NB! Arhedel on näidatud, et nad ei suuda kohaneda paindlikult temperatuuri muutusele, sünteesides muutunud küllastatusega või pikkusega lipiide. Eubakterid suudavad. Küll aga on Sulfolobusel ja Thermoplasmal näidatud, et tsüklopentaani hulka, mis lipiididesse lülitatakse, saavad nad reguleerida. See mõjutab ka membraanide stabiilsust. Mida rohkem neid jääke, seda tugevam membraan.

40. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhede genoom, geenid, transkriptsioon Paljude arhede genoomid on sekveneeritud. Näiteks Methanococcus jannaschii, Archaeoglobusfulgidus, Methanobacterium thermoautotrophicum, Pyrococcus horikoshii. Nende kõigi genoomides on geene, millel pole homolooge ei eubakterite ega eukarüootide hulgas. Näiteks M. jannaschii orfidest 56% polnud homolooge endmebaasides. See tegelikult näitab arhede domeeni selget erinevust teistest, nende unikaalsust.

41. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Methanococcus jannischii isoleeriti ookeanist 2600 m sügavusest. Ta saab kasvada vesiniku ja CO2 arvel autotroofselt metaani tootes. Talub temperatuuri kuni 86 kraadi. Rakud on ebaregulaarsed kokid kahe viburikimbuga sama pooluse lähedal.

42. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Arhede genoom, geenid, transkriptsioon Üldiselt on arhede geenid, mis kodeerivad transkriptsioonifaktoreid ja RNA polümeraasi subühikuid sarnased eukarüootide vastavate analoogidega, samal ajal kui metabolismiradade ensüümide geenid on sarnased prokarüootide omadele. Arhedel on geneetilisest aspektist ühiseid jooni nii bakterite kui ka eukarüootidega.

43. Arhede üldised ehituslikud iseärasused: ühised jooned bakteritega • Rõngaskromosoom; • Genoomi suurus, • Operonide esinemine; • mRNA intronite puudumine; • 70S ribosoomid

44. Arhede üldised ehituslikud iseärasused: ühised jooned eukarüootidega • Histoonide esinemine (eurüarhed); • Valgusüntees tundetu kloroamfenikoolile ja kanamütsiinile; • DNA-seoseline RNA polümeraas kompleksne ja koosneb paljudest subühikutest; • Transkriptsiooni algatamiseks vajalik paljude lisafaktoritejuuresolek; • Transkriptsioonifaktorid homoloogsed eukarüootide omadega; • Initsiaator-tRNA on metionüül-tRNA

45. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Eukarüootidel on mitu erinevat RNA polümeraasi, mis koosnevad 10-12 subühikust. Ka arhedel on mitu erinevat RNA polümeraasi ja need koosnevad 8-13 subühikust. Subühikute geenide järjestused sarnased eukarüootide subühikute järjestustele. Promootori äratundmine transkriptsioonil sarnane eukarüootide omale: nagu eukarüootide RNA polümeraas II puhul tunneb TATA-seostuv valk ära promootoris TATA-järjestuse. Eukarüootidel on TATA(A/T)A järjestus 20-30 nt ülespool mRNA stardipunkti. Arhedel on TATA järjestusele sarnane järjestus TTTA(A/T)A, mis paikneb ca 27 nt transkriptsiooni alguspunktist. Bakteritel on transkriptsiooni alustamiseks vajalikud nn –10 ja –35 järjestused e. Pribnow boks. Valgusünteesis ATG äratundmisel on bakteritel mRNAs oluline selle lähedal 5’ suunas paiknev Shine-Dalgarno järjestus, mis seostub 16SrRNAga ja aitab ribosoomi valgusünteesiks orienteerida. Eukarüoodi ribosoom skaneerib mRNAd, kuni leiab sobivas kontekstis AUG järjestuse. Arhede paljudel geenidel ei ole leitud Shine-Dalgarno järjestust. Samas on leitud eukarüootidele sarnaseid translatsioonifaktoreid.

46. Arhede üldised ehituslikud iseärasused Seda, et arhede promootorid on äratuntavad eukarüoodis näitab kasvõi see, et arhede geene on kloneeritud komplementatsiooni kaudu pärmis. Nii kloneeriti näiteks Thermococcus hydrothermalise maltaasi geen, komplementeerides arhe genoomse raamatukoguga Saccharomyces cerevisiae maltaasnegatiivset mutanti. Valk ise oli väike (242 aminohapet), võrreldes eukarüootide vastavate valkudega (ca 500-600 aminohapet).

47. Arhede füsioloogia 1) Arhede hulgas on aeroobe, fakultatiivseid anaeroobe ja rangeid anaeroobe. 2) Arhede hulgas on mesofiile, termofiile ja ka hüpertermofiile. 3) Arhede hulgas on terve rühm halofiile ja palju termoatsidofiile.

48. Levik looduses Agselt arvati, et arhed on kõik ekstremofiilid, kuna esmalt kirjeldati just selliseid arhesid, kes olid ka atsidofiilid, hüpertermofiilid, ranged anaeroobid või halofiilid. Punasega näidatud hüpertermofiilide harud evolutsioonipuul. Arhede hulgas on väga palju hüpertermofiile.

49. Levik looduses Praeguseks on selgunud, et arhesid on ka “tavalises” keskkonnas: külmas vees, mullas jne. Neid on ka soodes, inimese soolestikus ja suuõõnes. 1992. a. avastati “mustad suitsetajad”. Mustad suitsetajad on ookeanisügavusse avanevad kuumaveeallikad. Paiknevad tuhandete meetrite sügavuses merepõhjas. Kui mujal ookeani põhjas on “kõrb”, siis suitsetaja korstna ümber keeb elu, mis baseerub kemolitotroofial. Sealt on isoleeritud palju arhesid-hüpertermofiile. Pyrolobus fumarii (Tmax 113 oC), Pyrodictium occultum.

50. Hüpertermofiilid Musta suitsetaja ava kaudu paisatakse vette kuuma vulkaanilist vett, mis sisaldab H2, H2S. Kuum vesi jahtub, segunedes külma mereveega ja moodustub temperatuurigradient, kus leiavad endale koha erineva temperatuurinõudlusega bakterid.