Cấu tạo và chức năng của vi bào tử trùng

Các loài vi bào tử trùng có cấu trúc chung tương tự nhau về cấu trúc chung mặc dù kích thước, hình dạng, các giai đoạn biến thái và kích thước bào tử có khác nhau. Hình dạng bào tử từ hình elip tới hình bầu dục với kích thước trong khoảng 0,5µm tới 5µm.

Cấu trúc của vi bào tử trùng gồm có: Thành bào tử,  protein liên kết heparin, đĩa cực, thể cực, ống cực, nhân bào tử, ty thể bào tử, bào quan không bào, cơ quan vận động và các bào quan dạng phiến.

THÀNH VI BÀO TỬ TRÙNG

– Các bào tử có khả năng khúc xạ và được phủ một lớp ngoài bào tử giàu protein, dày đặc điện tử, một nội bào tử phát quang điện tử và một màng bên trong hoặc plasmalemma.

– Ở giai đoạn bào tử, tế bào microsporidian thường được bảo vệ bởi một ngoại bào tử protein dày 30-40 nm và một lớp nội bào tử dày 20-35 nm chứa chitin và protein. Vỏ bào tử có thể đơn giản hơn một chút trong các hệ thống khác [31]. Thành bào tử gồm 2 lớp, lớp bên ngoài chứa đậm đặc điện tử và lớp bên trong có chứa chitin phát quang electron [Vávra J, 2013]. Theo các nghiên cứu của Aldama-Cano et 52 al., 2018 và Tourtip và cộng sự, 2009 thì lớp vỏ ngoại bào tử dày khoảng 10nm và lớp vỏ nội bào tử dày 2nm.

– Lớp ngoại bào tử chứa một loại protein phản ứng chéo với các kháng thể kháng keratin, nhưng dường như không có sự tương đồng đáng kể với keratin hoặc bất kỳ thứ gì khác. Giống như keratin, nó có vùng đầu C với mô típ lặp đi lặp lại giàu glycine và serine và một số vị trí cysteine được bảo tồn. Khi kích hoạt, protein này bị phosphoryl hóa và phân tách [Bohne et al. (2000)]

– Nhiều protein đặc trưng cho vi bào tử trùng được phát hiện ở lớp vỏ [Weiss LM, 2014]. Những protein này có 2 chức năng là bảo vệ bào tử và có ái lực đặc hiệu với thành tế bào vật chủ. [Hayman JR, 2005; Weiss LM, 2014; Li Z, 2012]. SWP đã được mô tả rộng rãi cho các chi No sema và Encephalitozoon. Chúng bao gồm NbSWP5, NbSWP11, NbSWP12, NbSWP16, NbSWP25 và NbS WP26 từ N. bombycis [Li Z, 2012; Yang D, 2014; Chen J, 2013; Wang Y, 2014; Wu Z, 2009; Li Y, 2009], EcEnP1, EcEnP2 và chitin deacetylase (EcCDA) từ E. cuniculi [Peuvel-Fanget I, 2006; Brosson D, 2005], và EiEnP1 từ E. intestinal [Southern TR, 2007]. Gần đây, Antonos pora locustae SWP2 (AlocSWP2) đã được chứng minh là tham gia vào quá trình tạo bào tử [Chen L, 2017].

Hình 1: Cấu trúc lớp alpha-chitin [31]

– Đặc điểm nổi bật của lớp nội bào tử là có thành phần chitin giống nấm. Chitin nội bào tử ở dạng alpha chitin, cùng loại liên kết ngang được cho là đồng hình của Arthropoda. Với mối quan hệ sinh thái chặt chẽ giữa động vật chân đốt và Microsporidia, điều này dường như không phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên.

– Nội bào tử có độ dày đồng đều ngoại trừ đĩa neo, nơi nó thường mỏng hơn đáng kể [31].

CẤU TRÚC HEPARIN

Heparin là một polysaccharide mạch thẳng được sulfate hóa cao. Ở bước lây nhiễm đầu tiên, protein vách của vi bào tử có khả năng tương tác với cấu trúc heparin glycosaminoglycans của tế bào chủ (GAGs) [Hayman JR, 2005, Southern TR, 2007]

 Hình 2: Cấu trúc phân tử heparin

Phản ứng kết nối đặc hiệu của protein EhSWP1 bám vào nhóm heparin của tế bào vật chủ.

Hình 3: Phản ứng kết nối heparin với protein EhSWP1 kích hoạt cơ chế nảy mầm của EHP

– Pattana Jaroenlak và cộng sự, 2018 đã xác định và mô tả protein thành đầu tiên của bào tử EHP (EhSWP1). EhSWP1 chứa ba họa tiết liên kết heparin (HBM) tại đầu N của nó và miền Bin-amphiphysin-Rvs-2 (BAR2) tại đầu C của nó. Heparin như một bến tàu cho EHP cập bến và neo vào bến tàu bằng protein EhSWP1 được sử dụng như một mỏ neo.

CẤU TRÚC ĐĨA CỰC – ANCHORING DISK

Đĩa cực có nhiều vai trò quan trọng đối với hoạt động nảy chồi của bào tử. Các protein của đĩa cực tương tác với protein của ống cực và cho phép ống cực đùn ra ngoài. Các protein phía ngoài của đĩa cực có khả năng tương tác với protein của tế bào vật chủ. Ở loài vi bào tử Encephalitozoon helem, protein đĩa cực của chúng là EhSSP1 được chứng minh tương tác với cả ống cực và tế bào vật chủ. Protein có vai trò quan trọng trong cơ chế xâm nhập tế bào vật chủ của ống cực. Không chỉ vậy, các protein EhSSP1 đóng vai trò quan trọng trong việc tập trung lượng lớn các ty thể bao quanh các không bào để cung cấp năng lượng cho các meront ở các tế bào vật chủ bị nhiễm bệnh [Binh Han et al., 2019].

CẤU TRÚC THỂ CỰC – POLAROPLAST

Polaroplast chiếm hầu hết phần cuối “phía trước” của tế bào. Polaroplast là một cấu trúc ngang được tạo thành từ các màng xếp chặt, túi hoặc cả hai. Nó cũng có thể có một vùng phía sau được tổ chức lỏng lẻo hơn, được gọi theo nhiều cách khác nhau là “dạng xốp”, “hình ống” hoặc “lỗ” cực [ Didier, 1998; Canning et al. 2002; Keeling & Fast, 2002].

CẤU TRÚC BÀO QUAN DẠNG SỢI

– Ở giai đoạn bào tử, sợi cực thường được tìm thấy dưới dạng một loạt các cuộn dây chặt chẽ, ngay bên dưới màng sinh chất. Chúng được quan sát thấy trong các vi sóng điện tử dưới dạng một loạt các chấm chạy ngay dưới màng tế bào. Các “chấm” là mặt cắt ngang của ống cực khi nó cuộn 5-15 vòng quanh toàn bộ chu vi của bào tử. Số lượng cuộn dây, sự sắp xếp của chúng so với nhau và thậm chí cả góc nghiêng xoắn ốc được bảo tồn và chẩn đoán cho một loài cụ thể [Keeling & Fast, 2002].

– Mặt cắt ngang của ống cực xoắn lò xo có đường kính từ 0,1 đến 0,2µ và chiều dài từ 50 đến 500µ [Keeling & Fast, 2002].

– Sợi cuộn lại được bao quanh bởi dãy lớn các ribosome, đặc biệt là trong các tế bào chưa trưởng thành [Bacchi et al., 2002]. Ở phía trước, sợi phân cực xuyên qua thể cực Polaroplast và gắn vào một đĩa neo ở đỉnh của tế bào. Khi lây nhiễm, sợi cực sẽ nhanh chóng kéo dài ống cực (lên đến nhiều lần chiều dài của bào tử) [Keeling & Fast, 2001].

– Ống cực hoặc dây tóc (dây tóc chỉ đơn giản là phần mở rộng của ống) bao gồm các lớp màng glycoprotein [Keeling & Fast, 2002] và dường như có cấu trúc bên trong đáng kể, như thể hiện trong hình ảnh của Tuzetia [Canning et al., 2002]. Có một số liên kết vật lý giữa phần cuối của sợi cực và không bào phía sau, nhưng bản chất và chức năng chính xác của liên hệ này hiện chỉ là suy đoán [Keeling & Fast, 2002].

– Có 2 loại protein đã được phân lập từ ống cực của loài vi bào tử trùng Encephalitozoon có phân tử lượng 30Da có trình tự lysine ở trung tâm và 50kDa giàu proline. Gene mã hóa 2 protein này không có điểm tương đồng. Theo Delbac thì hai phân tử protein này liên kết với nhau bằng các liên kết disulfide. [Delbac et al. 2001]

CẤU TRÚC ỐNG CỰC- SỢI CỰC

– Vi bào tử đã phát triển một cơ chế có đặc tính xâm lấn liên quan đến ống cực và vách bào tử [Weidner E, 1976]. Khi xảy ra phản ứng nảy mầm, ống cực được dùng để xuyên qua vật chủ màng tế bào. Quá trình này diễn ra nhanh chóng trong vòng chưa đầy 2 mili giây [Franzen C, 2004, E Frixione, 1997]. Các ống cực hoạt động như là một ống dẫn để chuyển một bào tử truyền nhiễm vào tế bào chủ để bắt đầu giai đoạn ký sinh nội bào của vòng đời [Franzen C, 2004].

– Ống cực được Weidner E, 1976 miêu tả chi tiết. Ống cực có cấu trúc gồm các polypeptide đơn, các axit amin được liên kết chéo với nhau bởi các cầu disulfide để tạo thành cấu trúc bó dạng ống có bề mặt mịn. Ống cực có tính dẻo, linh hoạt. Ống cực có cấu trúc chống bị phân ly, kể cả khi ngâm trong môi trường sodium dodecyl sulfate hoặc khi ngâm thời gian ngắn trong môi trường pH cực hạn. Tuy nhiên các cấu trúc ống cực này bị khử và bị phá hủy khi ngâm trong dung dịch mercaptoethanol và dithiothreitol. 

Hình 4: Ống cực sau khi nảy chồi [Weidner E, 1976], ống cực có độ dày 100 nm và chiều dài khoảng 50µm

Hình 5: Cấu trúc mặt cắt ống cực, dạng đơn lớp, hình trụ, bên trong là dịch sinh chất đang truyền qua [Weidner E, 1976]

– Ở giai đoạn bào tử chưa nảy mầm, phần lớn ống cực có kích thước nhỏ còn được gọi như sợi cực thường được tìm thấy dưới dạng một loạt các cuộn dây chặt chẽ, ngay bên dưới màng sinh chất. Chúng được quan sát thấy trong các vi sóng điện tử phát quang dưới dạng một loạt các chấm chạy ngay dưới màng tế bào. Các “chấm” là mặt cắt ngang của ống cực khi nó cuộn 5-15 vòng quanh toàn bộ chu vi của bào tử. Số lượng cuộn dây, sự sắp xếp của chúng so với nhau và thậm chí cả góc nghiêng xoắn ốc được bảo tồn và chẩn đoán cho một loài cụ thể [Keeling & Fast, 2002].

– Mặt cắt ngang của sợi cực xoắn lò xo có đường kính từ 0,1 đến 0,2µ và chiều dài từ 50 đến 500µ [Keeling & Fast, 2002].

– Sợi cuộn lại được bao quanh bởi dãy lớn các ribosome, đặc biệt là trong các tế bào chưa trưởng thành [Bacchi et al., 2002]. Ở phía trước, sợi phân cực xuyên qua thể cực Polaroplast và gắn vào một đĩa neo ở đỉnh của tế bào. Khi lây nhiễm, sợi cực sẽ nhanh chóng kéo dài ống cực (lên đến nhiều lần chiều dài của bào tử) [Keeling & Fast, 2001].

– Ở phía cuối, sợi cực hoặc dây tóc (dây tóc chỉ đơn giản là phần mở rộng của ống) bao gồm các lớp màng glycoprotein [Keeling & Fast, 2002] và dường như có cấu trúc bên trong đáng kể, như thể hiện trong hình ảnh của Tuzetia [Canning et al., 2002]. Có một số liên kết vật lý giữa phần cuối của sợi cực và không bào phía sau, nhưng bản chất và chức năng chính xác của liên hệ này hiện chỉ là suy đoán [Keeling & Fast, 2002].

– Có 2 loại protein đã được phân lập từ ống cực của loài vi bào tử trùng Encephalitozoon có phân tử lượng 30Da có trình tự lysine ở trung tâm và 50kDa giàu proline. Gene mã hóa 2 protein này không có điểm tương đồng. Theo Delbac thì hai phân tử protein này liên kết với nhau bằng các liên kết disulfide. [Delbac et al. 2001]

CẤU TRÚC NHÂN TẾ BÀO

– Nhân tế bào có 1 nhân đơn hoặc 1 nhân kép gồm 2 khối liên kết với nhau chặt chẽ.

– Các ribosom bám xung quanh màng tế bào và sợi cực như bám lên một mạng lưới nội chất. Các ribosome này là bào quan 70S và không thuộc loại sinh vật nhân chuẩn (80S) điển hình. Như vậy các bào quan có khối lượng gần giống với sinh vật nhân sơ hơn [Fast et al.,1999; Bacchi et al., 2002; Delbac et al., 2001].

– Vi bào tử trùng có bộ gen nhỏ gọn rất nhiều so với các sinh vật nhân chuẩn do mất đi các gen trong con đường trao đổi chất và tiêu giảm các gene liên quan [Peyretaillade E, 2011]. Bộ gen của vi bào tử có kích thước DNA rất nhỏ, kích thước 2,3 Mbp của E. intestinal là bộ gen của sinh vật nhân chuẩn nhỏ nhất được biết cho đến nay [Corradi N, 2010] và nhỏ hơn nhiều kích thước 4.6Mbp của một sinh vật nhân sơ điển hình như E. coli. Dường như các vùng không cần thiết trên DNA đã bị xóa bỏ để đạt kích thước tối giản.

– Trình tự gene trong DNA không theo quy luật và phân bố như ngẫu nhiên [Peyretaillade et al., 1998]

– Các gene liên quan đến chức năng nhận biết, liên kết và xâm nhập tế bào vật chủ, gồm 3 gene tiêu biểu:

– Polar tube proteins (PTPs) – gene mã hóa protein ống cực, épore wall proteins (SWPs) – mã hóa protein tạo thành bào tử, endochitinases chitin synthases – mã hóa enzyme endochitinase

– Gene tham gia chức năng khai thác năng lượng của tế bào vật chủ: ADP/ATP transporters – chuyển vận phân tử năng lượng ADP/ATP

– Gene tham gia quá trình biến đổi bên trong tế bào vật chủ: Mitogen-activated protein kinases – enzyme phosphoryl hóa protein kích hoạt nguyên phân, transferases splicing machineries [José C. I.-G., 2020].

– Cấu trúc RNA trong tiểu đơn vị của ribosom có một đoạn mang tính đặc trưng riêng của EHP (Địa chỉ GenBank FJ496356). Từ đoạn gene này một đoạn có cấu trúc đặc trưng nhất có kích thước 848bp được tách ra để chế tạo một đoạn DNA làm mồi. Đoạn mồi này được sử dụng để khuếch đại DNA của EHP trong các vật chủ bị nghi ngờ. Cấu trúc đoạn gene giống 84% trình tự mã hóa trong gene tương ứng của vi bào tử trùng Enterocytozoon bieneusi. Loại vi bào tử này là loại ký sinh nội bào bắt buộc ở tế bào biểu mô ruột ở người, lợn và nhiều động vật gây bệnh tiêu chảy [Aldama-Cano et 52 al., 2018; Tourtip và cộng sự, 2009].

CẤU TRÚC TY THỂ

– Microsporidia từ lâu đã được coi là amitochondriate, nhưng gần đây một bào quan nhỏ có nguồn gốc từ ty thể được gọi là mitosome đã được phát hiện. Chức năng phân tử của cơ quan này vẫn chưa được hiểu rõ. Nhiễm sắc thể không có bộ gen, vì vậy nó phải nhập tất cả các protein của nó từ tế bào chất. Trong cấu trúc mitosome chứa các enzyme liên quan đến thu nhận và chuyển hóa protein của vật chủ.

– Microsporidia thiếu ty thể và peroxisome, một cấu trúc tương đương ti thể [Hirt et al., 1999]. Tuy nhiên, chúng chứa protein sốc nhiệt Hsp70 [Peyretaillade et al.,1998a)] và một số đơn vị phức hợp pyruvate dehydrogenase (PDH) dường như được lấy từ nguồn ty thể [Fast & Keeling (2001)].

CẤU TRÚC BÀO QUAN KHÔNG BÀO

Ở cuối “phía sau” của tế bào, bào tử thường chứa một không bào lớn. Chức năng của không bào sau là không rõ. Giống như thể cực, mục đích nguyên tắc của nó có thể chỉ đơn giản là tạo ra áp lực định hướng cần thiết để thực hiện quá trình lây nhiễm nhanh chóng.

CẤU TRÚC CƠ QUAN VẬN ĐỘNG

Giống như phần lớn tất cả các loại nấm, Microsporidia không có roi hoặc bất kỳ cấu trúc “9+2” nào khác [Fast & Keeling (2001)].

BÀO QUAN DẠNG PHIẾN

Không có các nhiễm sắc thể Golgi xếp chồng lên nhau. Trong bào chất của vi bào tử có các bào quan dạng phiến xếp chồng lên nhau [Keeling et al., 2000].

Tài liệu tham khảo

1. S. Tourtip, 2009, “Fine structure and phylogenetic”, https://doi.org/10.1016/j.jip.2009.06.004  

2. Pattana Jaroenlak, 2018, “…heparin binding capacity of a spore-wall…”, https://doi.org/10.1186/s13071-018-2758-z

3. Bo Zhu, 2022, Analysis of the glycolysis pathway in Enterocytozoon 2 hepatopenaei after germination promotion and inhibition, https://doi.org/

4. José C. I.-G., 2020, Overview on EH, https://doi.org/10.3856/vol51-issue1-fulltext-2693