Cellular remodeling during reversible life-stage transition in sessile ciliates: Genomic and transcriptomic insights.

چکیده اصلی

Unraveling mechanisms driving dramatic life-stage transitions in response to environmental stress is central to understanding cellular adaptation. We studied a distinctive group of sessile ciliates that undergo profound morphological and organellar remodeling when transitioning from sessile trophonts to motile telotrochs. We generated chromosome-level genomes for two colonial species (Campanella sinica, Epistylis hentscheli) and one solitary species (Vorticella campanula), revealing genome sizes of 41.30 to 60.37 Mb. Notably, minichromosomes (10 to 100 kb) represent a shared, distinct chromosomal architecture across all three species. We constructed a transcriptional atlas by profiling five transitional stages, revealing core gene sets linked to transcriptional regulation, cilia, cytoskeletal dynamics, and metabolism. Intermediate stages converge on conserved genes driving structural and energetic turnover, including polyubiquitin and the mitochondrial regulator CHCHD2. Furthermore, we uncovered metabolic reprogramming and active spatial mobilization of mitochondria tailored to fuel these extreme morphological shifts. During structural remodeling, the mitochondrial genome exhibits asymmetric regulation-coordinating the upregulation of translational and early respiratory machineries with the downregulation of terminal electron transport potentially mitigating oxidative stress. Crucially, in vivo imaging physically corroborates this transcriptomic priming, revealing a marked increase in mitochondrial density and their targeted redistribution to regions of high ATP demand. Conversely, during stalk biosynthesis, organellar regulation selectively upregulates the mitochondrial protein ymf66 to sustain prolonged translational and energetic demands. Ultimately, our findings highlight how ciliates integrate global transcriptomic shifts with organelle-specific spatial and metabolic fine-tuning to meet the precise mechanical requirements of complex life-cycle transitions.

ترجمه فارسی چکیده

درک مکانیسم‌های راننده گذارهای دراماتیک مراحل زندگی در پاسخ به استرس محیطی، مرکز درک سازگاری سلولی است. ما گروهی متمایز از سیت‌های ایستا را مطالعه کردیم که در گذار از تروفونت‌های ایستا به تلوتروخ‌های متحرک، بازسازی‌های عمیق مورفولوژیک و اندامکی را تجربه می‌کنند. ما ژنوم‌های سطح کروموزومی برای دو گونه کلونی (Campanella sinica، Epistylis hentscheli) و یک گونه تکی (Vorticella campanula) تولید کردیم که اندازه ژنوم‌ها را ۴۱.۳۰ تا ۶۰.۳۷ مگابایت نشان داد. به طور قابل توجهی، مینیکروموزوم‌ها (۱۰ تا ۱۰۰ کیلوبایت) معماری کروموزومی مشترک و متمایزی را در تمام سه گونه نشان می‌دهند. ما یک اطلس ترنسکریپتومیک با پروفایل‌دهی پنج مرحله گذار ساختیم که مجموعه‌های ژنی هسته‌ای را مرتبط با تنظیم ترنسکریپتونی، سیلی، دینامیک سیتوسکلت و متابولیسم آشکار کرد. مراحل میانی بر ژن‌های حفظ‌شده متمرکز می‌شوند که راننده‌های چرخش ساختاری و انرژی هستند، از جمله پلی‌یوبریتینین و تنظیم‌کننده میتوکندری CHCHD2. علاوه بر این، ما بازطراحی متابولیک و متمرکزسازی فعال مکانی میتوکندری را که برای سوخت‌رسانی به این تغییرات مورفولوژیک افراطی تنظیم شده‌اند، آشکار کرد. در بازسازی ساختاری، ژنوم میتوکندری تنظیم نامتقارن را نشان می‌دهد که هم‌افزایی دستگاه‌های ترجمه‌ای و تنفس اولیه را با کاهش‌دهی انتقال الکترون نهایی هماهنگ می‌کند که احتمالاً استرس اکسیداتیو را کاهش می‌دهد. به طور حیاتی، تصویربرداری در vivo این آماده‌سازی ترنسکریپتومیک را به طور فیزیکی تأیید می‌کند که افزایش چشمگیر چگالی میتوکندری و توزیع هدفمند آن‌ها به مناطق با تقاضای بالای ATP را آشکار می‌کند. در مقابل، در حین بیوسنتز ساقه، تنظیم اندامکی به طور انتخابی پروتئین میتوکندری ymf66 را برای تأمین تقاضاهای طولانی‌مدت ترجمه‌ای و انرژی بالا بالا می‌برد. در نهایت، یافته‌های ما نشان می‌دهند که سیت‌ها چگونه تغییرات ترنسکریپتومی جهانی را با تنظیم دقیق مکانی و متابولیک مخصوص اندامک‌ها برای برآورده کردن نیازهای مکانیکی دقیق گذارهای پیچیده چرخه زندگی ادغام می‌کنند.

متن کامل اصلی