Genomika eukaryot a laterální genový přenos

Genomika eukaryot a laterální genový přenos

doc. Mgr. Vladimír Hampl, Ph.D.

doc. Mgr. Vladimír Hampl, Ph.D. — Vedoucí projektu

O nás

Naše laboratoř se zabývá evoluční protistologií, zajímá nás tedy vznik a evoluce eukaryotické buňky. V současnosti studujeme dvě skupiny protist, Preaxostyla a Euglenida. Zkoumáme jejich diverzitu, molekulární a buněčnou biologii. Zaměřujeme se zejména na semiautonomní organely těchto organismů.

Evolutionary Protistology Group, 2019

Preaxostyla a Euglenida jsou skupiny bičíkovců patřící pod superskupinu Excavata. Nejvíce nás zajímá evoluce jejich semiautonomních organel: vysoce redukovaných či zcela ztracených mitochondriálních organel anaerobní skupiny Preaxostyla a sekundárních plastidů fotosyntetických euglen. Výzkum obou těchto oblastí by nám mohl pomoci pochopit původ organel a evoluci jejich struktur, molekulární biologii, transport, targeting, biogenezi, kompozici genomu a biochemické dráhy. Studujeme též fenomén laterárního genového transferu, který hraje důležitou roli v některých těchto procesech.

Preaxostyla

Organismy patřící do skupiny Preaxostyla žijí výhradně v anoxickém prostředí. Jedná se o jednu z nejméně prozkoumaných linií eukaryot. Věříme, že výzkum těchto protist nám může pomoci porozumět procesu reduktivní evoluce mitochondriálních organel. Paratrimastix pyriformis patří v rámci této skupiny mezi bazální, volně žijící organismy. Studiem fyziologických funkcí redukované mitochondrie tohoto organismu se snažíme se objasnit průběh redukce mitochondrií u ostatních preaxostyl. Dále nás zajímá skupina Oxymonadida, kam patří obyvatelé trávicího traktu nejrůznějších živočichů. Náš výzkum druhu Monocercomonoides exilis ukázal, že se pravděpodobně jedná o skupinu, která mitochondrii zcela ztratila.

zaměřujeme se na:

  • transkriptomiku a genomiku oxymonád a paratrimastixe
  • buněčnou lokalizaci předpokládáných mitochondriálních proteinů
  • metabolismus spojený s anaerobiózou a ztrátou mitochondrie
  • dráhy pro syntézu železo-sirných center
  • symbiózy oxymonád a prokaryot
  • diverzitu oxymonád

Euglenida

Euglenida je skupina převážně sladkovodních bičíkovců. Jejich mitochondrie jsou neobvyklé z hlediska struktury i molekulární genetiky. Mnoho euglen má pevnou ale pružnou pelikulu, díky které jsou schopné metabolie, tedy typického euglenoidního pohybu. Eugleny jsou také známé pro heterogenitu ve způsobu získávání energie. Ancestrální a nejrozšířenější je v této skupině heterotrofie (bakteriovorie, eukaryovorie a primární osmotrofie). Jedna z monofyletických skupin, Euglenophyta, získala v průběhu evoluce sekundární zelený plastid, a jako hlavní zdroj energie využívá fotosyntézu. Tento plastid je derivovaný z prasinofytních řas a má tři membrány. I přesto jsou tyto eugleny schopné přežít bez přítomnosti světla díky schopnosti přechodně přepnout na heterotrofii. Tato schopnost zapříčinila vzniku několika osmotrofických druhů s nefotosyntetickým sekundárním plastidem. Rapaza viridis, nedávno objevený mixotrofický druh, vyžaduje k přežití jak fotosyntézu, tak eukaryotickou kořist.

zaměřujeme se na:

  • transkriptomiku a genomiku plastidů euglen a příbuzných řas
  • laterální genový přenos spojený se vznikem plastidu
  • plastidovou proteomiku a proteinový import u Euglena gracilis
  • analýzu lipidů chloroplastu euglen
  • hledání organismů příbuzných předkovi plastidu euglen pomocí enviromentální sekvenace
  • diverzitu heterotrofních euglenidů

 

V současné době probíhá výzkum v těchto směrech:

Buňky bez mitochondrií

  • V roce 2016 se nám podařilo odhalit, že prvok Monocercomonoides exilis zcela postrádá mitochondrii. Jedná se o vůbec první eukaryotickou buňku, které tato organela prokazatelně chybí. Nyní se snažíme proniknout hlouběji do tajů funkcí takových buněk, zejména nás zajímá funkce syntézy železo-sirných center, což je proces, který s mitochondrií velice úzce souvisí.
  • Rádi bychom také charakterizovali některé přenašeče elektronů účastnící se redoxních reakcí, jak u těchto amitochondriátů, tak jejich blízkých příbuzných.
  • Zajímá nás také diversita oxymonád a rádi, bychom získali, co možná nejkompletnější fylogenetický strom oxymonád, a proto stále lovíme a sekvenujeme oxymonády z prostředí, kde se vyskytují.
  • Chceme také použít amitochondriální buňky k „evolučním“ pokusům simulujícím situaci, kdy v buňkách vznikala mitochondrie. Zajímá nás například, co se stane, když smícháme cytosolický extrakt amitochondriálních oxymonád s izolovanými mitochondriemi jiných organizmů. Které proteiny budou importovány do izolovaných mitochondrií?
  • Oxymonády nejsou možná jediné organizmy bez mitochondrií. Ve spolupráci s kolegou Ivanem Čepičkou máme na mušce další dvě skupiny prvoků, které bychom rádi prověřili na přítomnost této organely. Jednou z nich jsou améby z rodu Pelomyxa a druhou bičíkovci rodu Retortamonas.

Plastidy krásnooček

  • Je naprosto jasné, že plastid zelených krásnooček vznikl sekundární endosymbiózou se zelenou řasou. Dokonce se ví, že tato řasa pocházela z evolučního okolí rodu Pyramimonas. Vzhledem k tomu, že první větve fylogenetického stromu zelených krásnooček jsou tvořeny mořskými zástupci, se domníváme, že k této události došlo v moři. Stáří této události neznáme, ale je zřejmé, že se jedná o mladší endosymbiózu, než je většina ostatních.
  • V našem výzkumu se snažíme prozkoumat podrobnosti této události. Zajímá nás, jak se vyvíjely genomy plastidů, a proto sekvenujeme plastidové genomy zelených řas a krásnooček, které se větví co nejblíže endosymbotické události. Ukazuje se, že diverzita mořských zelených i nezelených krásnooček je zmapována jen povrchně, a tak ji chceme zkoumat důkladněji a doufáme v objev nových linií.
  • Dále nás zajímá, jak plastidy krásnooček fungují. Zejména se snažíme zjistit, jaký je původ plastidových membrán. Mají totiž jen tři membrány oproti předpokládaným původním čtyřem takže, která se ztratila? Nejasný je také způsob transportu proteinů z cytosolu přes plastidové membrány. Máme vytipovaných několik málo proteinů, které by se toho mohly účastnit, ale nemáme potvrzenu jejich lokalizaci a už vůbec netušíme s jakými dalšími proteiny spolupracují.
  • Rádi bychom se také naučili krásnoočka transfekovat cizorodou DNA a potlačovat expresi jejich genů metodami RNAi.

Cytoskelet protist

  • O proteinovém složení neaktinového a netubulinového cytoskeletu prvoků, tedy různých druhů intermediánních a žíhaných fibril, se toho ví velmi málo. Přitom by tato znalost mohla umožnit homologizovat některé morfologické struktury napříč vzdálenými skupinami a odpovědět například na otázku, jak vypadal předek eukaryot (LECA). Domníváme se, že metodika uzrála do stadia, kdy je možné si začít takové otázky klást. Předběžné pokusy ukazují, že jsme schopni připravit obohacenou frakci cytoskeletu oxymonád. Následná proteomická analýza by mohla prozradit mnohé o jeho složení.

Aktuality

Publikace

2021

Füssy Z., Vinopalová M., Treitli S. C., Pánek T., Smejkalová P., Čepička I., Doležal P., Hampl V. Retortamonads from vertebrate hosts share features of anaerobic metabolism and pre-adaptations to parasitism with diplomonads. Parasitol Int. 2021 Feb 21;82:102308. doi: 10.1016/j.parint.2021.102308.

2020

Novák Vanclová A. M. G., Zoltner M., Kelly S., Soukal P., Záhonová K., Füssy Z., Ebenezer T. E., Lacová Dobáková E., Eliáš M., Lukeš J., Field M. C., Hampl V. Metabolic quirks and the colourful history of the Euglena gracilis secondary plastid. New Phytol. 2020 Feb;225(4):1578-1592. doi: 10.1111/nph.16237. Epub 2019 Nov 4. PubMed PMID: 31580486.

Harada R., Hirakawa Y., Yabuki A., Kashiyama Y., Maruyama M., Onuma R., Soukal P., Miyagishima S., Hampl V., Tanifuji G., Inagaki Y. Inventory and evolution of mitochondrion-localized family a DNA polymerases in Euglenozoa. Pathogens. 2020 Apr 1;9(4):257. doi: 10.3390/pathogens9040257. PMID: 32244644; PMCID: PMC7238167.

Tomečková L., Tomčala A., Oborník M., Hampl V. The lipid composition of Euglena gracilis middle plastid membrane resembles that of primary plastid envelopes. Plant Physiol. 2020 Dec;184(4):2052-2063. doi: 10.1104/pp.20.00505. Epub 2020 Oct 2. PMID: 33008834; PMCID: PMC7723114.

Faktorová D. et al. Genetic tool development in marine protists: emerging model organisms for experimental cell biology. Nat Methods. 2020 May;17(5):481-494. doi:10.1038/s41592-020-0796-x. Epub 2020 Apr 6. Erratum in: Nat Methods. 2020 Apr 15;: PMID: 32251396; PMCID: PMC7200600.

2019

Lukešová S., Karlicki M., Tomečková Hadariová L., Szabová J., Karnkowska A., Hampl V. Analyses of environmental sequences and two regions of chloroplast genomes revealed the presence of new clades of photosynthetic euglenids in marine environmentsEnviron Microbiol Rep. 2020 Feb;12(1):78-91. doi: 10.1111/1758-2229.12817. Epub 2019 Dec 26. PubMed PMID: 31845515.

Treitli S. C., Kolisko M., Husnik F., Keeling P. J., Hampl V. Revealing the metabolic capacity of Streblomastix strix and its bacterial symbionts using single-cell metagenomics. PNAS. 2019, 116(39), 19675-19684. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1910793116.

Anna Karnkowska, Sebastian C Treitli, Ondřej Brzoň, Lukáš Novák, Vojtěch Vacek, Petr Soukal, Lael D Barlow, Emily K Herman, Shweta V Pipaliya, Tomáš Pánek, David Žihala, Romana Petrželková, Anzhelika Butenko, Laura Eme, Courtney W Stairs, Andrew J Roger, Marek Eliáš, Joel B Dacks, Vladimír Hampl, The Oxymonad Genome Displays Canonical Eukaryotic Complexity in the Absence of a Mitochondrion, Molecular Biology and Evolution, Volume 36, Issue 10, October 2019, Pages 2292–2312, https://doi.org/10.1093/molbev/msz147

Vesteg M., Hadariová L., Horváth A., Estraño C. E., Schwartzbach S. D., Krajčovič J. Comparative molecular cell biology of phototrophic euglenids and parasitic trypanosomatids sheds light on the ancestor of Euglenozoa. Biol Rev Camb Philos Soc. 2019 Oct;94(5):1701-1721. doi: 10.1111/brv.12523.

Ebenezer T. E., Zoltner M., Burrell A. et al. Transcriptome, proteome and draft genome of Euglena gracilis. BMC Biol 17, 11 (2019) doi:10.1186/s12915-019-0626-8

Hampl V., Čepička I., Eliáš M. Was the mitochondrion necessary to start eukaryogenesis? Trends in Microbiology. 2019, 27(2):96-104. https://doi.org/10.1016/j.tim.2018.10.005

Adl, S.M., Bass, D., Lane, C.E., Lukeš, J., Schoch, C.L., Smirnov, A., Agatha, S., Berney, C., Brown, M.W., Burki, F., Cárdenas, P., Čepička, I., Chistyakova, L., del, Campo, J., Dunthorn, M., Edvardsen, B., Eglit, Y., Guillou, L., Hampl, V., Heiss, A.A., Hoppenrath, M., James, T.Y., Karnkowska, A., Karpov, S., Kim, E., Kolisko, M., Kudryavtsev, A., Lahr, D.J., Lara, E., Le Gall, L., Lynn, D.H., Mann, D.G., Massana, R., Mitchell, E.A., Morrow, C., Park, J.S., Pawlowski, J.W., Powell, M.J., Richter, D.J., Rueckert, S., Shadwick, L., Shimano, S., Spiegel, F.W., Torruella, G., Youssef, N., Zlatogursky, V. and Zhang, Q. (2019). Revisions to the classification, nomenclature, and diversity of eukaryotes. J. Eukaryot. Microbiol., 66: 4-119. https://doi.org/10.1111/jeu.12691

Treitli, S. C., Kolisko, M., Husník, F., Keeling, P. J. & Hampl, V.: Revealing the metabolic capacity of Streblomastix strix and its bacterial symbionts using singlecell metagenomics. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 116, 19675–19684 (2019).

2018

Záhonová K., Füssy Z., Birčák E. et al. Peculiar features of the plastids of the colourless alga Euglena longa and photosynthetic euglenophytes unveiled by transcriptome analyses. Sci Rep 8, 17012 (2018) doi:10.1038/s41598-018-35389-1

Vacek V., Novák L. V. F., Treitli S. C., Táborský P., Čepička I., Kolísko M., Keeling P. J., Hampl, V. Fe–S Cluster assembly in oxymonads and related protists. Molecular Biology and Evolution. 2018, 35(11), 2712–2718. DOI: 10.1093/molbev/msy168.

Treitli, S. C., Kotyk, M., Yubuki, N., Jirounková, E., Vlásáková, J., Smejkalová, P., Šípek, P., Čepička, I., Hampl, V. Molecular and morphological diversity of the oxymonad genera Monocercomonoides and Blattamonas gen. nov. Protist. 2018, 169(5), 744-783. DOI: 10.1016/j.protis.2018.06.005.

Záhonová K., Petrželková R., Valach M., Yazaki E., Tikhonenkov D. V., Butenko A., Janouškovec J., Hrdá Š., Klimeš V., Burger G., Inagaki Y, Keeling P. J., Hampl V., Flegontov P., Yurchenko V., Eliáš M., Extensive molecular tinkering in the evolution of the membrane attachment mode of the Rheb GTPase, https://doi.org/10.1038/s41598-018-23575-0

2017

Hadariová L, Vesteg M, Hampl V, Krajčovič J. Reductive evolution of chloroplasts in non-photosynthetic plants, algae and protists. Curr Genet. 2017 doi: 10.1007/s00294-017-0761-0

Vanclová, AMG, Hadariová L, Hrdá Š, Hampl V. Secondary Plastids of Euglenophytes. In: Y. Hirakawa (ed.), Advances in Botanical Research, Academic Press 2017. doi: 10.1016/bs.abr.2017.06.008

2016

Hampl V. Preaxostyla. In: J.M. Archibald et al. (eds.), Handbook of the Protists, doi: 10.1007/978-3-319-32669-6_8-1. Springer 2016.

Klinger CM, Karnkowska A, Herman EK, Hampl V, Dacks JB. In the Light of Free-Living Relatives: Understanding the Phylogeny and Evolutionary Cell Biology of Parasites. In: Walochnik J and Duchêne M (eds.), Molecular Parasitology – Protozoan Parasites and their Molecules. Springer 2016.

Hrdá Š, Hroudová M, Vlček Č, Hampl V. Mitochondrial Genome of Prasinophyte Alga Pyramimonas parkeae. J Eukaryot Microbiol. 2016 Sep 28.

Novák L, Zubáčová Z, Karnkowska A, Kolisko M, Hroudová M, Stairs CW, Simpson AGB, Keeling PJ, Roger AJ, Čepička I, Hampl V. Arginine deiminase pathway enzymes: evolutionary history in metamonads and other eukaryotes. BMC Evol Biol. 2016 Oct 6;16(1):197.

Karnkowska A, Hampl V. The curious case of vanishing mitochondria. Microbial Cell 2016, 3, pp.361-364.

Karnkowska A, Vacek V, Zubáčová Z, Treitli SC, Petrželková R, Eme L, Novák L, Žárský V, Barlow LD, Herman EK, Soukal P, Hroudová M, Doležal P, Stairs CW, Roger AJ, Eliáš M, Dacks JB, Vlček Č, Hampl V. A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle. Curr Biol. 2016 May 11.

Zíková A, Hampl V, Paris Z, Týč J, Lukeš J. Aerobic mitochondria of parasitic protists: Diverse genomes and complex functions. Mol Biochem Parasitol. 2016 Feb 22.

2015

Rada P, Makki AR, Zimorski V, Garg S, Hampl V, Hrdý I, Gould SB, Tachezy J. N-Terminal Presequence-Independent Import of Phosphofructokinase into Hydrogenosomes of Trichomonas vaginalis. Eukaryot Cell. 2015 Dec;14(12):1264-75.

2014

Szabová J, Yubuki N, Leander BS, Triemer RE, Hampl V. The evolution of paralogous enzymes MAT and MATX within the Euglenida and beyond. BMC Evol Biol. 2014 Feb 11;14:25

2013

Zubáčová Z, Novák L, Bublíková J, Vacek V, Fousek J, Rídl J, Tachezy J, Doležal P, Vlček Č, Hampl V. The mitochondrion-like organelle of Trimastix pyriformis contains the complete glycine cleavage system. PLoS One. 2013;8(3):e55417.

2012

Krnáčová K, Vesteg M, Hampl V, Vlček Č, Horváth A. Euglena gracilis and Trypanosomatids Possess Common Patterns in Predicted Mitochondrial Targeting Presequences. J Mol Evol. 2012 Oct;75(3-4):119-29. doi: 10.1007/s00239-012-9523-2. Epub 2012 Oct 12.

Adl SM, Simpson AG, Lane CE, Lukeš J, Bass D, Bowser SS, Brown MW, Burki F, Dunthorn M, Hampl V, Heiss A, Hoppenrath M, Lara E, Le Gall L, Lynn DH, McManus H, Mitchell EA, Mozley-Stanridge SE, Parfrey LW, Pawlowski J, Rueckert S, Shadwick L, Schoch CL, Smirnov A, Spiegel FW. The revised classification of eukaryotes. J Eukaryot Microbiol. 2012 Sep;59(5):429-93. doi: 10.1111/j.1550-7408.2012.00644.x.

Huňová K, Kašný M, Hampl V, Leontovyč R, Kuběna A, Mikeš L, Horák P. Radix spp.: Identification of trematode intermediate hosts in the Czech Republic. Acta Parasitol. 2012 Sep;57(3):273-84. Epub 2012 Aug 9.

Hampl V. Kontroverzní a nebojácná dáma. Vesmír 91, 103, 2012/2.

2011

Hampl V, Stairs CW, Roger AJ. The Tangled Past Of Eukaryotic Enzymes Involved In Anaerobic Metabolism. Mobile Genetic Elements Volume 1 Issue 1.

Stairs CW, Roger AJ, Hampl V. Eukaryotic pyruvate formate lyase and its activating enzyme were acquired laterally from a firmicute. Mol Biol Evol. 2011 28(7):2087-2099.

Morada M, Šmíd O, Hampl V, Šuťák R, Lam B, Rappelli P, Dessi D, Fiori PL, Tachezy J, Yarlett N. Hydrogenosome-localization of arginine deiminase in Trichomonas vaginalis. Mol Biochem Parasitol. 2011; 176(1): 51-54.

Výuka

Nabízíme možnost vypracování bakalářské, diplomové, nebo dizertační práce v naší laboratoři. Pokud vás zaujalo některé z témat na kterých pracujeme, neváhejte kontaktovat šéfa naší laboratoře Vladimíra Hampla na vlada@natur.cuni.cz. Pro představu si můžete prohlédnout seznam prací, které v minulosti obhájili naši studenti.

Alumni

jméno název práce typ práce termín
Vojtěch Vacek Syntéza železo-sirných center v Monocercomonoides exilis disertační práce 2020
Štěpánka Hrdá Evoluce jaderných a plastidových genomů u euglenidů disertační práce 2020
Lukáš Novák Genomika bičíkovců skupiny Preaxostyla disertační práce 2020
Anna Novák Vanclová Evoluce proteomu plastidu euglenidů disertační práce 2019
Sebastian Cristian Treitli Genomika a buněčná biologie oxymonád disertační práce 2019
Jana Szabová Komplikovaná evoluce methionin adenosyltransferázy u eukaryot se zvláštním zaměřením na euglenidy disertační práce 2015
Aneta Kubánková Fylogenetické postavení rodu Polymastix a jeho prokaryotických symbiontů diplomová práce 2020
Marie Zelená Funkční analýza SUF dráhy v buňce Monocercomonoides exilis a Paratrimastix pyriformis diplomová práce 2020
Martina Kornalíková Analýzy velikosti genomu, ploidie a karyotypu u kmenů Monocercomonoides diplomová práce 2019
Ondřej Brzoň Analýza regulačních oblastí genů v genomu oxymonády Monocercomonoides diplomová práce 2016
Soňa Lukešová Diverzita prasinofytních řas příbuzných plastidu euglen diplomová práce 2016
Jitka Vlasáková Diverzita rodu Monocercomonoides diplomová práce 2014
Anna Novák Vanclová Membránový proteom plastidu euglenidů diplomová práce 2014
Lukáš Novák Mitochondrie Trimastix pyriformis diplomová práce 2013
Petr Soukal Pátrání po pozůstatku plastidu v buňce Rhabdomonas sp. diplomová práce 2013
Eliška Šrámová Evoluce genetického kódu a taxonomie oxymonád diplomová práce 2012
Vojtěch Vacek Mitochondrie oxymonád diplomová práce 2011
Eva Švagr Proteinové složení cytoskeletu protist bakalářská práce 2020
Marie Zelená Syntéza železo-sirných center u anaerobních protist bakalářská práce 2018
David Trokšiar Ztráty mitochondrií a plastidů v evoluci eukaryot bakalářská práce 2017
Aneta Kubánková Prokaryotičtí symbionti prvoků ze střev dřevokazných švábů a termitů bakalářská práce 2017
Martina Kornalíková Metoda FISH a její využití v protistologii bakalářská práce 2015
Soňa Lukešová Využití environmentálního sekvenování pro studium diverzity eukaryot bakalářská práce 2014
Ondřej Brzoň Regulace genové exprese u anaerobních parazitických protist a využití poznatků v praxi bakalářská práce 2014
Anna Novák Vanclová Transport proteinů do sekundárních plastidů bakalářská práce 2012
Petr Soukal Přenos genetické informace mezi parazitem a jeho hostitelem bakalářská práce 2011
Lukáš Novák Laterální genový přenos a jeho využití ve fylogenetice eukaryot bakalářská práce 2011
Vojtěch Vacek Anaerobní mitochondriální organely exkavát bakalářská práce 2009