Заражай и властвуй!

Бактерий рода Wolbachia по праву можно назвать одними из самых распространенных микроорганизмов на Земле. По последним данным, они встречаются у 40 % видов наземных беспозвоночных, включая насекомых, паукообразных, ракообразных и нематод, и круг хозяев, в которых обнаруживают эти бактерии, постоянно расширяется (Zug, Hammerstein, 2012). А ведь только одних насекомых известно на сегодня более 1 млн видов!

Удивительные способности вольбахии, обеспечивающие такое широкое распространение этих микроорганизмов в природных популяциях беспозвоночных, отражены в таких часто используемых для них названиях, как «репродуктивный паразит» и «бактерия-манипулятор».

Дело в том, что вольбахия способна вызывать у своих хозяев все четыре известные на сегодня модификации полового размножения, возникающие под действием микроорганизмов (Yen, Barr, 1971; Werren et al., 2008). Подобное влияние бактерии на размножение беспозвоночных связано с тем, что они обязательно «заселяют» клетки яичников и семенников.

Поскольку вольбахия может жить только внутри клеток живого организма, то и передается она из поколения в поколение хозяев преимущественно через цитоплазму яйцеклеток, т. е. по материнской линии («вертикальный перенос»). Передача от одной особи к другой («горизонтальный перенос») в природе происходит достаточно редко, однако в эволюционном масштабе времени такие события все же случаются, что отчасти объясняет широкое распространение бактерий в природе.

Венера против Марса

Заражение вольбахией приводит к возникновению у ее хозяев ряда репродуктивных нарушений.

Цитоплазматическая несовместимость проявляется в гибели потомства от зараженного самца и незараженной вольбахией самки, а также от двух особей, зараженных разными штаммами бактерии. Этот наиболее широко распространенный вид репродуктивного нарушения обнаружен у большого количества насекомых, равноногих ракообразных и клещей. Процент смертности, происходящей на эмбриональной стадии, может варьироваться от 0 до 100 % от числа отложенных яиц.

Вызываемый вольбахией партеногенез («девственное размножение», т. е. без оплодотворения) описан для клещей, перепончатокрылых, трипсов и ногохвосток (Charlat et al., 2003). У этих членистоногих самки обычно развиваются из оплодотворенных яиц, несущих «двойной» набор хромосом, полученный от обоих родителей, а самцы – из неоплодотворенных яиц с гаплоидным материнским набором хромосом. Однако в потомстве зараженных особей из неоплодотворенных яиц также развиваются самки.

Это происходит благодаря вмешательству вольбахии в процесс клеточного деления на ранних стадиях развития эмбрионов. В результате удвоения материнского набора хромосом в клетках эмбрионов потомство зараженных особей представлено исключительно «женским полом».

У равноногих ракообразных и некоторых насекомых, зараженных вольбахией, был обнаружен еще более необычный феномен – феминизация, превращение в самок «генетических» самцов с мужским набором хромосом (Werren et al., 2008). Это происходит благодаря тому, что в присутствии бактерий подавляется развитие так называемой «андрогенной железы», которая вырабатывает «мужской гормон», необходимый в норме для развития самцов.

В некоторых случаях вольбахия может также вызывать андроцид («гибель самцов») на ранних стадиях эмбрионального развития. Это явление описано у жуков, бабочек, дрозофил и лжескорпионов (Werren et al., 2008).

Все эти случаи вмешательства вольбахии в «личную жизнь» своих хозяев связаны с их статусом репродуктивного паразита. Цитоплазматическая несовместимость помогает снизить плодовитость незараженных самок, тем самым увеличивая в потомстве долю зараженных матерей. Это способствует распространению бактерий в популяции хозяина при сохранении соотношения самок и самцов. Партеногенез же, феминизация и андроцид приводят к нарушению этого соотношения, увеличивая в популяции долю самок, потомство которых будет заведомо заражено бактерией-манипулятором.

Макроэффекты микроорганизма

Помимо манипулирования размножением своих хозяев вольбахия может оказывать влияние на их общую приспособленность.

Так, присутствие этих бактерий в организме насекомых (комаров, дрозофил) приводит к повышению устойчивости последних к другим паразитам: возбудителю малярии (малярийному плазмодию), а также к различным вирусам (например, вирус Drosophila C). Кроме того, повышается устойчивость насекомых к вирусам, представляющим опасность для человека (вирусы лихорадки Денге, желтой лихорадки, лихорадки Западного Нила), для которых они служат переносчиками (Teixeira et al., 2008; Glaser, Meola, 2010; Van den Hurk et al., 2012; Chrostek et al., 2013).

Поскольку наиболее хорошо изученным объектом среди насекомых является дрозофила, именно она послужила моделью для ряда исследований, направленных на изучение процессов взаимодействия организма насекомого-хозяина с вольбахией.

В таких исследованиях было обнаружено, например, что вольбахия влияет на метаболизм железа, которое ее хозяин получает с пищей. При помещении дрозофил на корм с недостатком или избытком солей железа незараженные особи откладывали меньшее количество яиц по сравнению с зараженными (Brownlie et al., 2009; Kremer et al., 2009).

Одним из наиболее поразительных свойств этих внутриклеточных бактерий является их способность влиять на поведение своих хозяев. Так, для двух видов дрозофил (Drosophila melanogaster и Drosophila paulistorum) показано, что если самки и самцы будут заражены разными штаммами вольбахии, они будут избегать скрещивания, которое должно привести к цитоплазматической несовместимости (Koukou et al., 2006; Miller et al., 2010).

Это означает, что дрозофилы способны каким-то образом распознавать своих «собратьев по вольбахии». Механизм этого явления пока неизвестен, но предполагается, что он связан с присутствием бактерий в клетках специфических отделов мозга хозяев, отвечающих за поведение, и в клетках жирового тела – органа насекомых, принимающего участие в выработке феромонов (веществ внешней секреции, отвечающих за химическую коммуникацию внутри вида).

Исследования структурной организации и функции вольбахий в различных линиях дрозофил при нормальных и стрессовых условиях окружающей среды ведутся в течение ряда лет в новосибирском Институте цитологии и генетики СО РАН (Дудкина и др., 2004; Жукова и др., 2008). При этом особое внимание уделяется патогенному штамму wMelPop (от popcorn – попкорн), который был назван так за его способность активно размножаться в клетках организма дрозофилы, заполняя собой все свободное пространство подобно попкорну в микроволновке (Min, Benzer, 1997). Эти бактерии снижают продолжительность жизни насекомых приблизительно в два раза уже при обычной (25 °С) температуре, а при повышении температуры этот негативный эффект бактерий усиливается.

Исследование динамики заселения клеток мозга дрозофилы бактериями штамма wMelPop показало, что они попадают туда на ранних стадиях развития насекомого, т. е. во время эмбриогенеза. Однако активно делиться они начинают только во взрослом насекомом, постепенно разрушая его нервную систему, при этом скорость деления бактериальных клеток увеличивается с ростом температуры (Strunov et al., 2013).

Кстати сказать, патогенный штамм wMelPop оказывает негативное влияние и на размножение дрозофил, вызывая увеличение частоты программируемой клеточной гибели в формирующихся фолликулах яичников плодовой мушки (Zhukova, Kiseleva, 2012).

Желтолихорадочные кусаки

Каким же способом эти удивительные бактерии влияют на своих хозяев, вызывая такие разные последствия? Пролить свет на механизм этих взаимодействий позволили недавние исследования, проведенные на желтолихорадочных кусаках (Aedes aegypti) – комарах, которые являются переносчиками ряда тяжелых заболеваний человека, включая желтую лихорадку и лихорадку Денге.

Эти насекомые были заражены в лабораторных условиях штаммом wMelPop, специфичным для дрозофил (McMeniman et al., 2009). Чтобы бактерии адаптировались к условиям жизни внутри нового хозяина, их предварительно содержали в течение 2,5 лет в культуре клеток бело-пестрых кусак, а затем еще около года – в культуре клеток самих желтолихорадочных комаров (McMeniman et al., 2008).

Исследования показали, что присутствие бактерий в клетках комаров приводит к изменению в них уровня синтеза ряда микроРНК (Hussain et al., 2011; Zhang et al., 2013). Эти короткие одноцепочечные РНК длиной 18—25 нуклеотидов не кодируют никаких белков, однако принимают участие в регуляции работы большого числа генов. Поэтому они играют важнейшую роль во многих процессах жизнедеятельности организма, включая иммунную защиту, программируемую клеточную гибель и т. д.

Оказалось, что в присутствии вольбахии увеличивается уровень синтеза микроРНК, которые участвуют в регуляции плотности распределения этих бактерий в тканях комаров. Эти же микроРНК повышают устойчивость комаров к вирусу лихорадки Денге (Hussain et al., 2011; Zhang et al., 2013).

Еще одно интересное открытие было сделано при изучении штамма вольбахии wPip, которым заражены комары-пискуны (Culex pipiens). В геноме этих бактерий был обнаружен регулятор транскрипции, влияющий на экспрессию гена хозяина, ответственного за проявление цитоплазматической несовместимости (Pinto et al., 2013).

Все эти данные свидетельствуют о том, что физиологические и поведенческие особенности зараженных бактериями насекомых, которые можно наблюдать в лабораторных условиях и в природе, обеспечиваются переплетением множества различных, генетически обусловленных механизмов взаимодействия двух кардинально различных (про- и эукариотических) организмов. И, конечно, эти непростые взаимодействия требуют дальнейшего глубокого изучения.

«Биологическое оружие» против лихорадки

Интенсивное исследование вольбахии за последние десятилетия принесло не только фундаментальные «плоды»: с их помощью удалось сделать значимые шаги в борьбе с заболеваниями животных и человека, которые переносятся насекомыми.

Оказалось, что в организме все тех же желтолихорадочных комаров, зараженных вольбахией штамма wMel, практически не размножается вирус лихорадки Денге; следовательно, комар перестает быть переносчиком этого опасного заболевания (Walker et al., 2011). Заметим, что ежегодно в мире лихорадкой Денге заболевает около 360 млн человек, профилактической же вакцины для этого заболевания до сих пор нет (Bhatt et al., 2013).

Первые полевые испытания нового «биологического оружия» против лихорадки Денге начали австралийские ученые под руководством профессора С. О’Нейлла. В 2011 г. они выпустили в окрестностях г. Кэрнса желтолихорадочных комаров, инфицированных в лаборатории бактериями штамма wMel (Hoffmann et al., 2011). Сходные испытания были начаты в двух районах на островах Индонезии; подобная программа планируется и на о-ве Чи Нгуен (Вьетнам).

Предполагается, что численность комаров, зараженных вольбахией, должна расти, и они будут вытеснять из популяции незараженных особей за счет эффекта цитоплазматической несовместимости. Сегодня на экспериментальных территориях в Австралии сохраняется высокий уровень зараженности комаров. Однако, несмотря на достигнутые успехи, заключение об эффективности такого метода борьбы с опасным заболеванием можно будет сделать только через несколько лет, проанализировав динамику заболеваемости людей на этих территориях.

С открытием внутриклеточной бактерии вольбахии ученые получили уникальную модель, на которой можно исследовать взаимодействия между микроорганизмами и макроорганизмом-хозяином, а также взаимные адаптации, позволяющие столь разным существам успешно сосуществовать вместе. Практическое же применение знаний об этих многоликих бактериях делает возможным создание «экологически чистых» методов биологического контроля за популяциями беспозвоночных, являющихся переносчиками опасных для человека заболеваний или вредителями сельского хозяйства.

Исследования вольбахии также помогут пролить свет на ключевое макроэволюционное событие – симбиотическое происхождение внутриклеточных органелл, в частности, митохондрий, с которыми эти бактерии имеют общего предка, другими словами, раскрыть тайну происхождения эукариотической клетки высших организмов, к которым относимся и мы с вами.

Литература:

Захаров И. А. Бактерии управляют половым размножением насекомых // Природа. 1999. № 5. С. 28—34.

Серга С. В., Козерецкая И. А. Загадка распространения Wolbachia в природных популяциях Drosophila melanogaster // 2013. Т. 74, № 2. С. 99—111.

McGraw E. A., O’Neill S. L. Beyond insecticides: new thinking on an ancient problem // Nat. Rev. Microbiol. 2013. V. 11, № 3. P. 181—193.

Veneti Z. L., Reuter M., Montenegro H., et al. Interactions between inherited bacteria and their hosts: the Wolbachia paradigm // The influence of cooperative bacteria on animal host biology / Ed. by M.J. McFall Ngai, B. Henderson, E.G. Ruby. C. U. P. 2005. P. 119—142

В публикации использованы фото авторов, полученные на базе Центра коллективного пользования микроскопического анализа биологических образцов ИЦиГ СО РАН

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта Программы Президиума РАН «Динамичность генофондов, генотипическая и фенотипическая изменчивость в популяции» № 30.33.