Насекомые - отличные модели для изучения того, как эволюционировали системы врожденного иммунитета.
В непрерывной гонке вооружений между паразитами и их хозяевами инновации являются ключом к успешной атаке или защите, превосходящей конкурентов, но иногда, как и в корпоративном мире, откровенная кража может стать более быстрым способом достижения результата. В недавнем исследовании ученые доказали, что несколько видов плодовых мушек крадут у бактерий защитные факторы, чтобы выжить в условиях хищничества паразитических ос, которые могут превратить половину всех личинок мух в суррогатные матки для детенышей ос - сюжет, напоминающий монстров из фильма «Чужой».
У бактерий давно известно явление горизонтального переноса генов, которое является источником проблемной резистентности к антибиотикам. Однако считается, что у многоклеточных организмов, таких как насекомые, он встречается реже. Понимание того, насколько распространен этот процесс у животных и как эти гены используются и передаются друг другу, поможет ученым понять эволюцию иммунной защиты животных и указать путь к созданию терапии для борьбы с паразитарными или инфекционными заболеваниями.
В своем предыдущем исследовании биологи Калифорнийского университета использовали редактирование генома CRISPR, чтобы отключить ген, отвечающий за защиту у одного широко распространенного вида мушек Drosophila ananassae, и обнаружили, что почти все генетически модифицированные мушки погибали от хищничества паразитических ос. В своем новом исследовании, опубликованном 20 декабря в журнале Current Biology, авторы продемонстрировали, что этот защитный ген, кодирующий токсин, можно отредактировать в геноме обычной лабораторной мушки Drosophila melanogaster, чтобы сделать ее также устойчивой к паразитизму ос. Ген, по сути, становится частью иммунной системы мухи, одним из видов оружия в ее арсенале для борьбы с паразитами.
«Это показывает, что горизонтальный перенос генов - недооцененный способ быстрой эволюции у животных», - поясняет старший автор статьи Ной Уайтман. «Горизонтальный перенос генов - одна из основных движущих сил быстрой адаптации у микробов, но считалось, что у животных такие события - большая редкость. Но, по крайней мере у насекомых, похоже, они происходят довольно часто. Это модель для понимания того, как развиваются иммунные системы, включая нашу иммунную систему, которая также содержит горизонтально передаваемые гены». По словам Уайтмена, «исследование показывает, что для того, чтобы не уступать натиску паразитов, которые постоянно разрабатывают новые способы преодоления защитных механизмов хозяина, хорошей стратегией для животных является заимствование генов у еще более быстро эволюционирующих вирусов и бактерий, что и сделали эти мухи».
Уайтман изучает, как насекомые эволюционируют, чтобы противостоять токсинам, которые вырабатывают растения. В 2023 году он опубликовал книгу «Самый вкусный яд» о растительных токсинах, которые приходятся по вкусу людям, таких как кофеин и никотин. Одно из взаимодействий между растениями и травоядными, которое он изучает, - это взаимодействие между обыкновенной плодовой мухой Scaptomyza flava и растениями с горчичным вкусом.
Несколько лет назад, после секвенирования генома мухи в поисках генов, позволяющих ей противостоять горчичным токсинам, он обнаружил необычный ген, который, как он узнал, широко распространен в бактериях. Поиск по ранее опубликованным геномным последовательностям обнаружил тот же ген у родственной мухи Drosophila ananassae, а также у бактерий, живущих внутри тли. Исследователи обнаружили, что эти гены на самом деле происходит от бактериофагов, который инфицируют бактерии, живущие в тлях. Ген бактериофага, экспрессируемый бактериями, делает тлю устойчивой к паразитическим осам, которые пытаются ее уничтожить. Эти осы откладывают яйца внутри личинок мух, яйца ос превращаются в личинки, которые пожирают куколки мух и в конце концов превращаются во взрослых особей.
Когда Уайтман впервые использовал редактирование генов для экспрессии гена токсина во всех клетках D. melanogaster, все мухи погибли. Но когда он экспрессировал ген только в определенных иммунных клетках, мухи стали такими же устойчивыми к паразитам, как и D. ananassae. Впоследствии Уайтман и коллеги обнаружили, что ген, обнаруженный в геноме D. ananassae - слияние двух генов токсинов, цитолетального токсина B (cdtB) и белка, вызывающего апоптоз (aip56), который исследователи назвали fusionB, - кодирует фермент, разрезающий ДНК.
Чтобы выяснить, как работает эта нуклеаза, исследователи обратились к Иштвану Андо из Института генетики Биологического исследовательского центра (Венгрия), который ранее показал, что у этих же мух есть клеточная защита от яиц ос, которая, по сути, изолирует яйца от тела мухи и убивает их. Андо и его коллеги создали антитела к токсину, которые позволили им проследить его движение по телу мухи, и обнаружили, что нуклеаза, по сути, заполняет тело мухи, окружая и убивая осиное яйцо.
«Мы обнаружили огромный мир гуморальных иммунных факторов, которые могут быть задействованы в иммунной системе беспозвоночных», - рассказал Уайтман. «Наша работа - одна из первых, в которой, по крайней мере на дрозофиле, показано, что этот тип иммунного ответа может быть общим механизмом борьбы с естественными врагами, такими как осы и нематоды. В природе они гораздо более смертоносны, чем микробные инфекции. «Если ген экспрессируется не в той ткани, муха умрет. Этот ген никогда не распространится в популяции благодаря естественному отбору», - говорит Уайтмен. «Но если он попадает в геном, расположенный рядом с каким-то усилителем или регулятором, который немного экспрессирует его в жировой ткани тела, то можно увидеть, как он очень быстро получит преимущество».
«Когда вы бедная маленькая плодовая мушка, как вы будете бороться с этими патогенами и паразитами, которые быстро эволюционируют, чтобы использовать вас в своих интересах?» - пояснил он. Один из способов - заимствовать гены у бактерий и вирусов, потому что они быстро эволюционируют.
Это гениальная стратегия - вместо того чтобы ждать, пока ваши собственные гены помогут вам, взять их у других организмов, которые развиваются быстрее, чем вы сами.
И это, по-видимому, в процессе эволюции много раз происходило у насекомых, учитывая, что многие из них переняли этот ген. Это дает нам представление о новом виде динамичности, которая проявляется даже у животных, имеющих только врожденную иммунную систему и не обладающих адаптивным иммунитетом. Уайтмен и его коллеги продолжают изучать сложности взаимодействия между мухами и осами, а также клеточные и генетические изменения, которые позволили мухам синтезировать токсин, не убивая при этом себя.
