Wolbachia - самый успешный паразит, которого когда-либо знал мир. Вы никогда не слышали о нем, потому что он заражает только жуков: миллионы и миллионы видов насекомых, пауков, многоножек и других членистоногих по всему миру.
Секрет успеха сверхуспешной бактерии заключается в ее способности захватывать репродукцию своих хозяев. Биологи знали, что Wolbachia обладает этой способностью более 40 лет, но только сейчас группы биологов из университетов Вандербильта и Йельского университета определили конкретные гены, которые наделяют эту замечательную способность.
Два университета подали заявку на патент на потенциальное использование этих генов для генной инженерии либо бактериального паразита, либо самих насекомых для создания более эффективных методов контроля распространения переносимых насекомыми болезней, таких как лихорадка денге и Зика и для уменьшения разрушительного действия сельскохозяйственных вредителей.
Это достижение описано в журнале Nature в статье под названием «Профаги генов WO повторяют и усиливают цитоплазматическую несовместимость, вызванную Wolbachia» и в сопутствующей статье под названием «Деубиквитилирующий фермент Wolbachia вызывает цитоплазматическую несовместимость» в журнале Nature Microbiology, опубликованном в Интернете. 27 февраля.
Мы десятилетиями знали, что один из секретов успеха Wolbachia заключается в том, что она мешает размножению хозяина, чтобы распространяться через самок. Но как бактерия это сделала, было большой загадкой для ученых., - сказал доцент биологических наук Сет Борденштейн, возглавлявший контингент Вандербильтов.«Теперь мы знаем, какие гены придают ему эту способность».
Wolbachia обычно манипулирует репродукцией своих хозяев с помощью процесса, называемого «цитоплазматическая несовместимость» или CI. Это делает сперму инфицированных самцов летальными для яйцеклеток неинфицированных самок. Исследователи выявили единственную пару генов Wolbachia, которые производят этот эффект только при совместной работе.
Когда инфицированный самец спаривается с неинфицированной самкой, из яиц вылупляется малое количество яиц. Однако, когда инфицированный самец спаривается с инфицированной самкой или когда неинфицированный самец спаривается с инфицированной самкой, они производят такое же количество потомства, как и при спаривании неинфицированных самцов и самок. Это максимизирует количество инфицированных самок, производимых в каждом поколении, что приносит пользу Wolbachia, поскольку она передается только по материнской линии.
«Это чрезвычайно эффективная стратегия. В идеальных условиях она позволяет Wolbachia заразить всю популяцию хозяина в течение нескольких поколений или лет», - сказал Борденштейн. В течение ряда лет ученые искали способы использования этой природной бактерии для борьбы с комарами, переносящими болезни человека, и недавно они добились заметных первых успехов.
Wolbachia обычно не встречается у Aedes aegypti, комара, который распространяет вирусы денге, Зика и чикунгунья. Однако десять лет назад группа австралийских ученых обнаружила, что когда Wolbachia вводится в Aedes, она предотвращает рост этих вирусов болезней. Это привело к созданию международного некоммерческого сотрудничества под названием «Ликвидация лихорадки денге».
Результаты были чрезвычайно многообещающими, поэтому группы проводят полевые исследования по всему миру, чтобы определить наиболее эффективный способ использования Wolbachia для борьбы с лихорадкой Зика и денге, которые считаются наиболее важными и наиболее быстро распространяющимися переносчиками комаров. вирусное заболевание в мире.
Другие инициативы, такие как «MosquitoMate» в Кентукки, также используют этот подход для подавления размера популяций комаров путем выпуска инфицированных самцов комаров, которые стерилизуют неинфицированных самок в дикой природе через CI.
«Существует два основных подхода к использованию Wolbachia для уничтожения или сдерживания распространения таких вирусов, как лихорадка денге и Зика», - сказал Борденштейн.
Стабильный подход, называемый заменой популяции, заключается в том, чтобы вводить как самцов, так и самок, инфицированных Wolbachia, чтобы они распространяли бактерии самостоятельно, пока в конечном итоге не заменят постоянное население. По мере их распространения риск передачи лихорадки денге и Зика снижается, поскольку Wolbachia предотвращает размножение вирусов этих болезней.
Второй подход, называемый подавлением популяции, состоит в том, чтобы ввести большое количество инфицированных мужчин. Поскольку неинфицированные самки, которые спариваются с инфицированными самцами, не могут размножаться, это уменьшает размер целевой популяции либо переносчиков болезней, либо сельскохозяйственных вредителей.
Первый подход является медленным, но устойчивым и в конечном итоге должен привести к сокращению или фактической ликвидации передачи болезней. Второй подход быстрее, но популяция насекомых может восстановиться, поэтому его нужно применять повторно.
Исследователи Вандербильта обнаружили, что использование генной инженерии для встраивания генов Wolbachia CI в инфицированных насекомых может усилить эффект несовместимости и, таким образом, значительно снизить процент вылупления неинфицированных самок, которые спариваются с инфицированными самцами. В результате это может увеличить скорость распространения бактерии.
Этот результат поднимает две возможности, которые являются предметом заявки на патент: одна заключается в прямой трансформации штаммов Wolbachia путем вставки большего количества копий генов CI. При использовании для замены популяции насекомые, зараженные этой «супер-Wolbachia», должны распространяться быстрее и могут быть более эффективными при использовании для замены или подавления популяции. Другой - вставить гены КИ в геном насекомого, чтобы они могли напрямую вызывать КИ. Это позволит использовать этот метод для подавления видов насекомых, устойчивых к заражению Wolbachia.
Борденштейн и его коллеги охотились за генами КИ почти два десятилетия и выследили их, секвенировав и сравнив геномы Wolbachia из штаммов, вызывающих и не вызывающих КИ. Затем они использовали процесс исключения, чтобы отследить ответственные гены. Они обнаружили два многообещающих гена. Однако когда исследователи вставили каждый из этих генов в геном дрозофилы, это был полный провал. Ни один из них не повлиял на размножение мух: их яйца вылупились нормально.
"Однако, когда мы попробовали их вместе, у меня снесло крышу", - сказал Борденштейн. «Нам удалось генетически воспроизвести и усилить эффект КИ у дрозофилы».
По мнению биологов, происхождение генов КИ остается полной загадкой. Они расположены в части генома Wolbachia, называемой ассоциативным модулем эукариот, который содержит гены, которые бактерия, по-видимому, использует для взаимодействия со своим хозяином.
Кроме этого, исследователи понятия не имеют, откуда они взялись. Следующим шагом исследователей будет поиск генов у инфицированных самок, которые противодействуют КИ, которые спасают их яйца и позволяют им нормально вылупляться.