Грибки, контролирующие поведение, меняют представление ученых о взаимоотношениях хозяина и паразита.
Для случайного наблюдателя мотивы, определяющие поведение насекомых, могут показаться довольно простыми: насекомое может покинуть свое жилище в поисках пищи, бродить по окрестностям в поисках потенциальных сородичей, переместиться на солнце или в тень, чтобы поддерживать оптимальную температуру тела. Но иногда движущие силы такого поведения оказываются гораздо сложнее и зловещее, чем кажется на первый взгляд.
В неожиданно большом количестве случаев насекомые действуют не по собственной воле, принося пользу себе или даже своему виду. Вместо этого они превращаются в «зомби», управляемых едва заметными грибковыми кукловодами, которые направляют поведение насекомых, создавая оптимальные условия для распространения инфекционных спор. Хотя эти грибки были описаны в научной литературе еще в середине 1800-х годов, степень и точность поведенческого контроля, который они оказывают на своих несчастных насекомых-хозяев, и механизмы, которые они для этого используют, только начинают оцениваться.
Приступая к изучению сложного молекулярного диалога между этими грибками и их хозяевами-насекомыми, ученые пока не уверены, что именно им удастся обнаружить. К настоящему времени все царство грибков оказалось богатым источником биологически активных метаболитов; препараты, полученные из грибков, в настоящее время используются в качестве антибиотиков, иммунодепрессантов, средств для снижения уровня холестерина и терапии мигрени, так что в этих видах, манипулирующих насекомыми, может быть еще много интересного. «Это группа грибков пока еще не до конца изучена для всего того, что они могут производить. Я совершенно уверена, что мы наткнемся на кое-что интересное», - говорит Харисса де Беккер, молекулярный биолог, изучающая взаимодействие насекомых и грибков в Утрехтском университете.
Это увлечение вышло за пределы научного сообщества и распространилось в поп-культуре, о чем свидетельствуют такие сериалы, как "Последние из нас". И хотя эти грибки не могут заразить человека в буквальном смысле, они, несомненно, проникли своими мицелиями в сердца как ученых, так и обычных людей.
Цикл воздействия "зомбирующих" грибков Ophiocordyceps на муравьев.
Инфекция: Инфицирование начинается, когда здоровые муравьи встречают споры Ophiocordyceps во время кормежки вне гнезда.
Прогрессирование заболевания: В течение одной-двух недель муравей теряет циркадные ритмы активности и начинает проявлять гиперактивность и тремор, что может быть вызвано выработкой грибком треморогенного алкалоида спорыньи.
Подъем и прикрепление: Муравей забирается в излюбленное для грибка место, где условия, вероятно, оптимальны для роста грибка и передачи спор. Транскриптомный анализ выявил повышение регуляции грибковых энтеротоксинов в это время, что указывает на потенциальную роль этих соединений в этом аспекте манипуляции поведением. Прикрепление за которым быстро следует смерть насекомого, обычно происходит ближе к солнечному полудню.
Рост грибков и выделение спор: После смерти муравья грибок съедает остатки трупа и в течение последующих трех-шести недель выращивает плодовое тело, похожее на стебель. После того как плодовое тело сформировалось, грибок выбрасывает споры, чтобы заразить всех незадачливых муравьев, которые случайно окажутся внизу.
Иллюстрация: Modified from ©istock.com, Tatarnikova, Sorbetto, Vdvornyk, Annandistock, Natalia Misintseva; Designed by Ashleigh Campsall.
Как и на многих ученых, изучающих мир природы, на карьеру де Беккер повлиял телесериал «Планета Земля». Во время учебы в аспирантуре она изучала вездесущий грибок Aspergillus niger, но когда она посмотрела эпизод, в котором Дэвид Аттенборо описывал грибок Ophiocordyceps - как он направляет муравья вверх по листу или стеблю, заставляет его закрепиться своими мандибулами, а затем медленно выращивает плодовое тело из высушенного трупа муравья, - она была потрясена.
«Моя диссертация была посвящена сложности грибков - как разные клетки в грибковой колонии могут выполнять разные задачи и делать интересные вещи», - рассказала де Беккер. «Поэтому для меня грибок, который может заразить насекомое и изменить его поведение, казался самым сложным, что может сделать микроорганизм. Я была просто поражена этим».
Ученые уже знали, что Ophiocordyceps побуждает муравьев взбираться на близлежащую растительность - это поведение известно как саммитинг (здесь игра слов - саммит на "высшем уровне", т.е. на верхушке растений - прим.пер.), - чтобы обеспечить широкое распространение инфекционных спор. Однако, когда де Беккер и другие исследователи более глубоко изучили динамику взаимодействия муравьев и грибков, они поняли, что поведение грибков еще более тонко настроено на поддержку грибкового благополучия, чем они предполагали изначально. «Мы обнаружили, что зараженные муравьи сначала теряют свои суточные ритмы», - говорит де Беккер. «У муравьев, как и у нас, есть биологические часы, а многие из зараженных видов являются ночными видами, поэтому [обычно] они в основном добывают пищу в ночное время, а днем остаются в муравейнике».
Зараженные муравьи не проявляют таких особенностей, напротив, они постоянно активны. Однако что-то внутри них все же следит за временем или, по крайней мере, реагирует на зависящие от времени сигналы окружающей среды: активность муравьев в основном проявляется в солнечный полдень. Грибки также оказались весьма разборчивы в выборе условий, в которых они предпочитают закреплять своих хозяев и выращивать плодовые тела: де Беккер обнаружила, что затенение части муравьиного кладбища уменьшает количество новых зараженных муравьиных трупов и снижает производство грибковых плодовых тел.
«Это стало очень сложной, интересной историей - даже более интересной, чем она была до этого», - говорит де Беккер.
С тех пор ее увлечение этим грибком только росло, а растущая доступность технологий геномики, транскриптомики и метаболомики позволила ей погрузиться в стратегии, которые Ophiocordyceps использует для контроля своего хозяина. «С годами мы получили представление о генах грибков, которые включаются во время манипуляций, и о том, какие гены муравьев включаются или выключаются в то же время», - рассказала де Беккер. «Это дает нам представление о том, как эти два организма могут взаимодействовать».
Поскольку зараженные муравьи утратили свою обычную активность, но все равно достигали вершины в определенное время, де Беккер предположила, что циркадные часы играют важную роль в опосредовании этих взаимодействий между муравьями и грибками. Хотя циркадные ритмы у большинства видов грибков мало изучены, другие исследователи ранее охарактеризовали циркадные часы у грибка Neurospora crassa, которые включали гены, кодирующие фоторецепторы, и другие гены часов, образующие петли обратной связи для поддержания работы часов.
Используя Neurospora в качестве образца, де Беккер идентифицировала несколько гомологов генов часов в Ophiocordyceps, включая предполагаемые фоторецепторы, и показала, что транскрипция многих других генов повышается и понижается предсказуемо в течение 24-часового цикла. Инфицированные муравьи, с другой стороны, демонстрировали дисрегуляцию экспрессии генов, управляющих циркадными ритмами, что позволяет предположить, что этот грибок может "похищать" ритмы хозяина для своих собственных целей.
Однако циркадные нарушения - это лишь один из элементов грибковых манипуляций. Учитывая разнообразие и сложность поведенческих изменений, де Беккер считает маловероятным, что один ген или вещество контролирует их все. На основе данных о тысячах дифференциально экспрессированных генов и метаболитов, которые коррелируют с различными видами поведения в течение инфекции, де Беккер и ее исследовательская группа начали составлять список грибковых соединений-кандидатов, которые могут быть вовлечены в манипуляции. Но хотя им удалось определить идентичность многих белков и метаболитов, выделяемых грибами, «для многих из них мы понятия не имеем, что именно они делают», - отметила де Беккер.
Грибки, манипулирующие дрозофилой
Хотя Ophiocordyceps, вероятно, является самым известным зомбирующим грибком, он, конечно, не единственный. «В природе такое случается очень часто, возможно, даже чаще, чем мы можем себе представить», - говорит де Беккер. «И теперь, когда люди изучают этот вопрос, мы находим все больше и больше насекомых, которые страдают от этого».
Действительно, «саммитовая болезнь», при которой пораженный организм поднимается на некоторое расстояние над землей, принимает характерную позу смерти и обрушивает инфекционные частицы на несчастных прохожих, была зарегистрирована у всех видов насекомых, таких как домашние мухи, кузнечики, сверчки и жуки-солдатики. Однако многие из этих видов трудно изучать, поэтому инфекция в модельном организме насекомого, который поддается геномной обработке с помощью известных подходов и методов, была бы чрезвычайно полезной - если бы исследователи смогли ее найти.
На самом деле, в начале 20-го века в относительно малоизвестных журналах было опубликовано несколько сообщений, описывающих саммитовую болезнь у диких плодовых мушек, или Drosophila melanogaster, канонического модельного насекомого. Однако эти сообщения в основном остались без внимания, и эта пара грибок-муха была надолго забыта, пока в середине 2010-х годов ее заново открыла аспирантка Кэролин Элия.
Сегодня Элия - «зомбиолог» в Гарвардском университете, но в то время она работала в лаборатории молекулярного биолога Майкла Айзена в Калифорнийском университете, изучая микробиом плодовой мушки. Она хотела сравнить микробы в лабораторных мушках с микробами в диких мушках. К счастью, диких дрозофил найти несложно - как обнаруживает каждый, кто хоть раз оставлял перезрелый персик на кухонном столе.
Элия установила приманку на заднем дворе своего дома и стала ждать, когда прилетят мухи. Она легко поймала множество мух, но при этом заметила нечто странное: некоторые из мертвых мух на дне ловушки умерли в необычной, но узнаваемой позе. «Меня это заинтересовало, - вспоминает она, - потому что я знала, что крылья, поднятые под углом 90 градусов к оси тела, - это то, что может вызывать грибок Entomophthora muscae».
«Я очень обрадовалась, отнесла образцы в лабораторию, посмотрела на них под микроскопом, увидела споры и [подумала] „О Боже! Я была очень, очень взволнована тем, что этот грибок, манипулирующий поведением, просто неожиданно появился», - рассказывает она. «Я решила, что непременно поймаю его и поработаю с ним, потому что это было гораздо круче того, над чем я работала».
Плодовые мушки, убитые манипулирующим поведением грибком Entomophthora muscae, принимают характерную позу, которая считается оптимальной для рассеивания спор. Фото: Carolyn Elya
С тех пор Элия посвятила себя изучению Entomophthora. После длительного процесса проб и ошибок Элии и ее коллегам удалось культивировать грибок в лаборатории и надежно инфицировать мух, выращенных в лаборатории. Наконец, исследователи смогли использовать огромное богатство генетических инструментов дрозофилы и широко распространенные запасы генетически измененных мух для изучения молекулярных механизмов манипулирования грибком поведением.
Как и Ophiocordyceps, Entomophthora изменяет уровень активности своего хозяина, вызывая всплеск активности незадолго до смерти. Она уговаривает хозяина забраться на близлежащую растительность и закрепиться там перед смертью. И в том, и в другом случае присутствует циркадный элемент: Ophiocordyceps убивает в солнечный полдень, а Entomophthora - ближе к закату. После гибели насекомого грибок потребляет ткани хозяина для своего роста и производства спор, чтобы заразить следующее поколение жертв.
Хотя Ophiocordyceps и Entomophthora вызывают схожее поведение у своих хозяев, эволюционное расстояние между ними удивительно велико. «Они находятся примерно в таком же отдаленном родстве, как я с плодовой мушкой», - говорит Элия. Поэтому ученые пока не знают, развились ли у этих грибков схожие механизмы манипулирования насекомыми или у каждого из них есть своя уникальная стратегия для достижения нужного результата.
Чтобы определить, каким образом грибок манипулирует мозгом мухи, Элия и ее коллеги проанализировали сотни мух, у которых были нарушены функции определенных нейронов или генов, и измерили, как это повлияло на саммитовое поведение. Их исследование показало важность двух нейронных систем. «Первая заключалась в том, что когда мы мутировали циркадные гены у мухи, мы, как правило, имели неадекватное саммитовое поведение», - говорит Элия. «Вторая - когда мы глушили нейроны в области мозга под названием pars intercerebralis (PI), которая является нейросекреторной областью... мы также наблюдали снижение саммитового поведения".
Заглушив различные популяции нейронов в PI, они выявили их крошечную субпопуляцию, которая, как оказалось, оказывает огромное влияние на поведение при саммитинге. Они назвали эти клетки нейронами PI-CA, поскольку они направляются из PI в corpus allatum (CA), эндокринную железу, которая выделяет вещество под названием ювенильный гормон в кровеносную систему мухи. Этот гормон, по словам Элии, «поддерживает ювенильное состояние, но у него также есть масса других функций, помимо роли в развитии. Это действительно многогранный и интересный гормон; мы все еще выясняем все, что он делает».
Тем не менее, исследователи смогли продемонстрировать важность этого механизма в манипуляциях грибковым поведением: выключение нейронов PI-CA или генетическое уничтожение самого CA резко снижало саммитовое поведение у зараженных мух. «Но тогда возникает большой вопрос: что, черт возьми, делает грибок, чтобы вызвать все это? Вот тут-то мы и продолжаем работать, чтобы выяснить все это», - говорит Элия.
«Мы обнаружили, что грибок проникает в мозг по очень странной, но довольно стереотипной схеме», - продолжает она. «В мозге мух, выполняющих саммитовое поведение, грибки непропорционально много скапливаются в той области мозга, которая содержит процессы, идущие от этих [PI] нейронов. Это было действительно удивительно наблюдать, потому что мы нашли нейроны, а затем провели совершенно другой эксперимент и обнаружили, что грибковые клетки сидят практически рядом со всей коммуникационной инфраструктурой». Другими словами, грибковые клетки идеально подходили для манипулирования коммуникационным путем, который исследователи ранее определили как основную движущую силу такого поведения.
Ученые начинают формировать представление о мишенях хозяина, которые важны для такого поведения, но чтобы по-настоящему понять эти манипуляции с точки зрения грибка, им нужно вернуться к основам и начать распутывать его поразительно странный геном.
Entomophthora обладает одним из самых больших геномов среди всех грибков - его вес составляет около миллиарда оснований (для сравнения, весь человек может быть создан на основе информации, содержащейся в 3,4 миллиарда оснований). «Эти геномы огромны не потому, что в них тонна генов, а потому, что в них тонна транспозируемых элементов», - поясняет Элия. «Как будто в какой-то момент их эволюции произошла „вечеринка“ транспозиционных элементов... но мы не знаем, почему». В настоящее время Элия работает над созданием методов, которые позволят ей наносить флуоресцентные метки и генетически манипулировать грибком, чтобы изучить молекулярные механизмы, с помощью которых грибок манипулирует мухой.
«Честно говоря, мы не знаем, к чему приведет изучение этого странного грибка... Грибки - удивительные химики, так что, вероятно, есть несколько действительно классных натуральных веществ, которые только и ждут, чтобы мы их открыли, и, возможно, некоторые из них обладают нейромодулирующими свойствами. А мозг мухи на самом деле не так уж сильно отличается от мозга других существ, например, нас самих. Вы можете представить, что потенциально мы можем найти вещи, которые могут быть использованы в контексте лечения психических расстройств», - поделилась Элия.
Элия также разрабатывает несколько более «странных» применений, вдохновленных грибками, манипулирующими поведением и приспосабливающимися к особым причудам биологии насекомых. Например, когда Ophiocordyceps нужно прикрепить умирающего хозяина к листу или стеблю, он может заставить мощные челюсти муравья сомкнуться на растительной ткани. Поскольку у плодовых мух нет челюстей - их ротовые аппараты больше подходят для того, чтобы чавкать, чем кусать, - Entomophthora приходится быть немного более изобретательной.
«Мухи высовывают хоботок и из него вытекает капелька слизи, которая приклеивает их на место. И это невероятно сильный клей. Я думаю, что у этого клея могут быть очень хорошие биологические свойства - возможно, его можно использовать в медицине». Поэтому один из проектов в лаборатории - выяснить, что входит в состав этого клея».
Massospora зомбирующие цикад
Мэтт Кэссон всегда был очарован богатством неоцененных биологических взаимодействий, происходящих на расстоянии вытянутой руки. «Я всегда занимался домашними исследованиями», - говорит Кэссон, изучающий заболевания растений в Университете Западной Вирджинии. «Я думаю, что есть много вещей, которые упускаются из виду, прямо под нашими ногами..... Мне нравится идея показать то, что находится прямо за нашими дверями, что люди видят, но, возможно, не ценят».
Кэссон начал свою научную карьер, изучая как определенные виды грибков могут помочь в борьбе с райским деревом - быстрорастущим, дурно пахнущим деревом, которое чрезвычайно инвазивно во многих странах Европы, Северной Америки и Океании. Кэссон заметил, что после гибели деревьев они выделяют вещества, привлекающие жуков; ему стало интересно, играют ли жуки какую-то роль в борьбе между инвазивным деревом и патогенными грибками. Для Кэссона это любопытство стало пропуском в странный мир взаимодействия членистоногих и грибков. «Меня очень увлекли эти облигатные паразиты, которым для выживания абсолютно необходим хозяин. Забавно, что в аспирантуре я изучал ржавчинные грибки, которые являются облигатными хозяевами. Они очень специализированные и с ними очень трудно работать», - рассказывает Кэссон. «Но я никогда не планировал заниматься подобными исследованиями».
Однако теперь Кэссон изучает еще более трудноразрешимую пару грибок-хозяин: грибки из рода Massospora и их незадачливых хозяев - периодических цикад. Как и некоторые другие грибки, изменяющие поведение, этот вид Massospora - не совсем новое открытие: описания появились в научной литературе еще в середине 1800-х годов. «Но поскольку он некультивируемый, а его хозяин имеет 17-летний или 13-летний жизненный цикл, изучать его было не очень удобно», - говорит Кэссон. «Так он и оставался своего рода микологической диковинкой в течение примерно 100 лет».
По словам Кэссона, он по достоинству оценил трудность работы с этими чудовищно сложными системами. «Я понимаю, что здесь есть большие возможности. Конечно, попытка изучить эти некультивируемые облигатные патогены и паразиты сопряжена с большим риском - у них есть все эти странные причуды. Но вместе с этим появляется шанс на новые открытия».
Периодические цикады ведут совершенно иной образ жизни, чем муравьи или мухи. Большую часть своей жизни они проводят в нескольких метрах под землей, питаясь корнями деревьев и накапливая энергию, прежде чем вылезти на поверхность в манере, которую ученые называют «эффектной [и] безрассудно театральной», чтобы спариться, отложить яйца и вывести потомство. Соответственно, Massospora использует иные - возможно, даже более ужасающие - стратегии для обеспечения своего распространения среди хозяев-цикад.
В отличие от Ophiocordyceps или Entomophthera, которые ждут, пока их хозяева умрут, прежде чем заменить ткани насекомого спорообразующими структурами, Massospora не проявляет такой сдержанности. Задолго до смерти зараженная цикада лишается задней части брюшка, которую заменяет белесая грибковая «пробка», выделяющая споры.
Зараженные цикады демонстрируют два особенно заметных изменения в поведении. Во-первых, их похоже совершенно не беспокоит потеря значительной части тела. Как отметил Кэссон, «если бы грибок разорвал вам брюшко, у вас, вероятно, не было бы особого желания ходить или заниматься обычными делами, которыми занимаются люди». Однако инфицированные цикады продолжают летать, как ни в чем не бывало». Более активные цикады - те, которые взаимодействуют с большим количеством других цикад, - вероятно, полезны для грибка, стремящегося к максимальному распространению инфекции.
Вторая, не менее печальная модификация заключается в следующем: цикады, зараженные массоспорой, - это не просто зомби, это зомби, которые с особым энтузиазмом относятся к спариванию. Вернее, пытаются спариваться, поскольку у них больше нет гениталий. В обычном брачном ритуале цикады, объясняет Кэссон, самец поет (или кричит), чтобы привлечь ближайших самок, и, если самка восприимчива, она делает характерный взмах крыльями. Зараженные самцы будут кричать, чтобы привлечь самок, но они также будут постукивать крыльями в ответ на песню другого самца. «В некотором смысле грибок оптимизирует рассеивание, удваивая количество цикад, с которыми он потенциально может контактировать», - пояснил Кэссон.
У цикад, зараженных Massospora cicadina, появляется заметная мелоподобная грибковая пробка, которая выходит из задней части брюшка и видна сквозь прозрачные крылья. Фото: Matt Kasson
Чтобы выяснить, как грибок может вызывать такое поведение, Кэссон и его коллеги проанализировали химический состав грибковых пробок из периодических и годовалых цикад, зараженных разными видами Massospora. Хотя многие из малых молекул имели неизвестные функции, были обнаружены два химических вещества с заметными психоактивными свойствами: катинон, амфетамин, производимый растениями, и псилоцибин, психоделик, производимый грибами.
Возможно существуют и другие интересные психоактивные молекулы, но их трудно идентифицировать, говорит Кэссон. «На пути к пониманию большинства этих молекул стоит множество препятствий, отчасти из-за неполноты баз данных, а также из-за того, что грибки, особенно при таком уникальном образе жизни и такой высокой специализации, будут производить целый набор новых соединений". Однако, учитывая психоактивные молекулы, которые исследователи уже идентифицировали, «взаимодействие грибков и насекомых может представлять собой следующий рубеж для открытия лекарственных препаратов», - утверждает Кэссон.
Сейчас, по словам Кэссона, исследователи используют транскриптомику для свежей партии грибков, чтобы определить, какие гены включаются во время инфекции. Помимо сбора образцов грибков, Кэссон и его исследовательская группа тщательно собирали и консервировали головы цикад, чтобы отправить их Меган Барретт, нейробиологу насекомых из Университета Индианы и, вероятно, одной из немногих, кто был бы рад получить по почте 200 голов цикад.
Хотя Барретт уже работала со многими видами насекомых, это ее первое знакомство с мозгом цикады. Это также один из первых случаев, когда кто-то особенно пристально изучает мозг цикад, по крайней мере, в нашем веке. «Я искала литературу о нейроанатомии цикад и на самом деле там почти ничего нет», - говорит Барретт. «Поэтому часть нашей работы в рамках этого проекта - это первое описание нервной системы цикад, особенно этих видов».
Установив, как выглядит мозг здоровой цикады, Барретт определит, как грибок влияет на объем и количество клеток мозга в различных областях в течение периода заражения. Хотя сама Барретт заинтересована в изучении мозга цикад ради него самого, она говорит, что это исследование затрагивает и более масштабные вопросы, проливая свет на то, как паразиты влияют на нервную систему своих хозяев.
Изучение различных паразитов и хозяев может помочь исследователям понять природу взаимодействия хозяина и паразита в более широком смысле. Внося свой вклад в фундаментальное понимание самых странных уголков биологии и потенциально выявляя новые натуральные продукты, которые могут стать супермощными клеями, пестицидами против насекомых или даже нейротропными препаратами, ученые стремятся продолжить изучение этих странных грибков, манипулирующих насекомыми.
