100 лет вольбахии: триумфальное путешествие эндосимбионта

Авторы/авторы:
100 лет вольбахии: триумфальное путешествие эндосимбионта
Вольбахии заражают репродуктивные ткани самых разных членистоногих, включая осу Nasonia vitripennis. Фото: Sarah Bordenstein
10 января 2025
38
0

В середине 1920-х годов энтомолог Маршалл Хертиг и патологоанатом Симеон Берт Вольбах решили выбраться из своих лабораторий в Гарвардском университете и собрать насекомых в окрестностях Бостона и Миннеаполиса. 

   Дуэт изучал порядок Rickettsiales - группу облигатных внутриклеточных бактерий, репликация которых зависит от клеток хозяина. В начале 1900-х годов исследователи взялись за описание бактерий этого порядка в членистоногих и изучение заболеваний, которые они вызывают у людей, таких как пятнистая лихорадка Скалистых гор и сыпной тиф. Хертиг и Вольбах хотели определить частоту встречаемости этих риккетсиоподобных микроорганизмов у насекомых и выявить характеристики, которые позволили бы отличить их от клеточных гранул и артефактов. Среди образцов, которые они привезли в лабораторию, было более 20 комаров Culex pipiens. Осторожно препарировав ткани насекомых и изучив их под микроскопом, исследователи впервые выявили крошечные микроорганизмы, похожие на риккетсии, в яичниках, семенниках и яйцах комаров.

   Через несколько лет после их открытия Хертиг дал этим внутриклеточным микроорганизмам название Wolbachia pipientis. С момента первого описания, сделанного Хертигом и Вольбахом в 1924 году, исследователи по всему миру углубились в биологию вольбахий. Они не только открыли широкий спектр членистоногих и нематод, в клетках которых обитает эта бактерия, но и удивительное созвездие паразитических и мутуалистических адаптаций, которые делают этот бактериальный эндосимбионт несомненным примером эволюционного успеха.

   Первые наблюдения Хертига и Вольбаха за вольбахией в яйцах C. pipiens наводили на мысль, что бактерии передаются по материнской линии. Уильям Салливан, клеточный биолог из Калифорнийского университетае, был заинтригован тем, как эндосимбионт передается следующему поколению. «Вольбахия бесконечно увлекательна», - отмечает он. Из исследований Майкла Турелли, эволюционного биолога из Калифорнийского университета, Салливан узнал, что бактерии распространяются среди плодовых мушек в Калифорнии. Поэтому он взял своих студентов на экскурсию, чтобы выяснить, добрались ли вольбахии до виноделен в округе Санта-Крус. По словам Салливана, именно благодаря этой работе, а также презентациям и докладам студентов он погрузился в мир эндосимбионтов.

   Поскольку вольбахии эффективно передаются от самки-хозяина к ее потомству, Салливана заинтересовало, как эндосимбионт это делает. Предыдущие данные свидетельствовали о том, что некоторые внутриклеточные микробы используют компоненты клеточного цитоскелета, чтобы перемещаться внутри и между клетками. Так было с Listeria monocytogenes, патогенной бактерией, известной тем, что вызывает листериоз. В начале 1990-х годов исследователи показали, что L. monocytogenes использует цитоскелет хозяина для формирования богатых актином структур, называемых «ракетными хвостами», которые позволяют бактерии перемещаться по цитоплазме клетки.

   Чтобы выяснить, будет ли Wolbachia также захватывать компоненты цитоскелета для обеспечения высокой скорости распространения, Салливан и его коллеги сначала сосредоточились на ранних стадиях оогенеза. В яичниках зараженных вольбахией плодовых мушек Drosophila melanogaster они обнаружили, что бактерии четко локализуются на переднем конце ооцита и используют сеть микротрубочек хозяина и связанный с ними двигательный белок динеин для обеспечения этой субклеточной локализации.

   На поздних стадиях развития яйца вольбахии концентрируются на заднем конце зрелого ооцита, где располагаются клетки-предшественники зародышевой линии. Чтобы выяснить, играют ли микротрубочки роль в перераспределении бактерий из передней части в заднюю, группа Салливана изучила яичники зараженных вольбахиями плодовых мушек на поздних стадиях оогенеза. На средних стадиях оогенеза микротрубочки претерпевают значительную перестройку внутри ооцита, смещая свою полярность таким образом, что плюсовые концы микротрубочек концентрируются на заднем полюсе ооцита.

   Поэтому Салливан и его сотрудники сосредоточили внимание на моторном белке кинезине, который, как известно, движется к плюсовым концам микротрубочек. Используя мух-мутантов, у которых отсутствовал кинезин, они обнаружили, что вольбахии перехватывают этот моторный белок, чтобы перераспределиться к заднему концу и поместить себя в место образования половых клеток, что, вероятно, обеспечивает вертикальную передачу бактерий. «Это означает, что вольбахии действительно очень, очень сложные микроорганизмы», - комментирует Салливан. «В начале оогенеза должны быть какие-то поверхностные белки, чтобы задействовать моторный [белок] динеин, а затем [вольбахия] должна выключить эти поверхностные белки и включить поверхностный белок, который задействует кинезин».

Вольбахии (красные) заражают ооциты (синие и зеленые) таких насекомых, как Drosophila melanogaster. Фото: Yonah Radousky.

   Поскольку достижение заднего полюса зрелой яйцеклетки является важной вехой для вертикальной передачи вольбахий, Салливан более тщательно исследовал ассоциацию бактерий с кинезинами. Кинезины представляют собой тетрамеры, состоящие из двух тяжелых цепей (KHC), отвечающих за двигательную активность, и двух легких цепей (KLC), которые могут связывать груз и выступать в качестве линкерного белка.

   Отключив KLC, Салливан обнаружил, что бактерии не только смогли достичь заднего полюса, но и их количество резко возросло. «Это был сумасшедший результат», - вспоминает он. Сверхэкспрессия KHC вызвала аналогичное увеличение уровня Wolbachia в субклеточном пространстве ооцитов, что говорит о том, что доступность KHC ограничивает транспорт бактерий. Поскольку ооцит имеет ограниченное количество кинезинов для перемещения важных компонентов к заднему полюсу, вольбахии должны быть осторожны, чтобы не нарушить этот процесс, объясняет Салливан. «Им нужно, чтобы зародышевая линия оставалась нетронутой", - пояснил он.

   Хотя динамичная хореография эндосимбионтов внутри ооцита и захватила Салливана, это было не единственное явление, связанное с вольбахией, которое вызвало его интерес. «Меня очень взволновала цитоплазматическая несовместимость, - рассказывает он. Среди репродуктивных манипуляций, вызываемых вольбахими, цитоплазматическая несовместимость (ЦН), вероятно, является одной из самых загадочных. 

   Впервые выявленная биологом Ханнесом Лавеном в 1950-х годах, ЦН проявляется в быстрой дегенерации эмбрионов, полученных путём оплодотворения яйцеклеток инфицированным самцом. Лавен наблюдал эту своеобразную несовместимость при спаривании, изучая популяции C. pipiens из разных географических мест. На основании своих экспериментов он предположил, что фактор несовместимости, присутствующий в цитоплазме, передается от родителей к потомству. Лавен был также одним из первых, кто признал, что ЦН может способствовать видообразованию и контролю популяций комаров. Но только в начале 1970-х годов исследователи установили связь между ЦН и Wolbachia, когда они обнаружили значительное количество микроорганизма в яйцах и эмбрионах несовместимых скрещиваний C. pipiens.

   По мнению Салливана, ЦН - это самая умная репродуктивная манипуляция Wolbachia, поскольку она требует сотрудничества между самцами и самками. «Если заражен самец, но не самка, яйца не вылупятся. Но если самец заражен так же, как и самка, яйца вылупляются. Таким образом, если вы - неинфицированная самка в инфицированной популяции, вы оказываетесь в невыгодном положении», - объяснил он.

   Салливан и другие ученые были заинтригованы тем, как Wolbachia воздействует на репродуктивные клетки насекомых, вызывая ЦН, и он подошел к этой репродуктивной загадке с точки зрения хромосом. Ранние исследования 1990-х годов показали, что Wolbachia нарушает динамику отцовской хромосомы во время оплодотворения и раннего эмбрионального развития, и ученые предположили, что бактерии вызывают несоответствие между временем событий, происходящих в начале эмбриогенеза.

   Чтобы проверить эту идею, Салливан и его коллеги разработали цитологическую методику для изучения оплодотворения и первого митотического деления в живых эмбрионах осы Nasonia vitripennis. Они заметили, что в мужских пронуклеусах эмбрионов с ЦН наблюдается задержка разрушения ядерной оболочки - сигнал о вступлении в митоз, что приводит к асинхронности между мужскими и женскими пронуклеусами на ранних стадиях эмбрионального развития. В последующем исследовании ученые обнаружили, что ЦН влияет на конденсацию хроматина и правильную репликацию ДНК в мужском пронуклеусе, задерживая отложение ключевых гистонов и пролонгируя сохранение ядерного антигена пролиферирующих клеток, что может способствовать дефектам митоза и летальности эмбрионов.

   Пока Салливан и другие исследователи изучали репродуктивные манипуляции Wolbachia на клеточном уровне, Сет Борденштейн, биолог из Университета штата Пенсильвания, пытался понять генетические секреты, которые позволяли этому эндосимбионту командовать своим хозяином. Когда я узнал о [вольбахиях], я спросил себя: "Как это возможно, что простой микроорганизм с небольшим геномом может жить внутри животного-хозяина и делать эти удивительные репродуктивные изменения, чтобы извлекать для себя выгоду?" 

"Было ощущение, что вольбахия - это кукловод», - вспоминает Борденштейн.

   Считалось, что эндосимбионты теряют значительную часть своего генома, когда вступают в облигатные симбиотические отношения со своими хозяевами - этот процесс называется редукцией генома. Исследователи полагали, что первыми в этом процессе уничтожаются мобильные генетические элементы, такие как бактериофаги и транспозоны. Однако секвенирование генома Wolbachia показало обратное, свидетельствуя о том, что бактериофаги, впервые обнаруженные в эндосимбионтах в конце 1970-х годов, включили свои генетические материалы в структуру микробов.

   Известно, что фаги придают адаптивные черты свободноживущим бактериям, поэтому Борденштейн задался вопросом, не делает ли бактериофаг, обнаруженный в Wolbachia, фаг WO, то же самое с эндосимбионтом и не влияет ли он на его способность вызывать ЦН. Группа Борденштейна сравнила геном штаммов Wolbachia, которые, как известно, вызывают ЦН, и штаммов, которые не вызывают несовместимость при спаривании, и обнаружила, что между штаммами, вызывающими ЦН, было всего два общих гена. «Никто не находит два гена в мультиомическом анализе, обычно находят сотни генов. Поэтому мы решили, что либо ошибаемся, либо совершенно правы», - вспоминает Борденштейн.

   Поскольку вольбахии не размножаются вне клеток своих хозяев, а ученые не могут культивировать их в лаборатории, Борденштейн и его сотрудники создали трансгенных плодовых мушек, которые экспрессировали два гена, названных ими CI (ЦН)-факторами A (cifA) и B (cifB). Отдельная экспрессия этих генов не воссоздавала фенотип ЦН. Тогда они решили экспрессировать cifA и cifB вместе. «Это была наша отчаянная попытка, и мы смогли обнаружить, что два гена, экспрессируемые вместе из генома мухи, воспроизводят признак цитоплазматической несовместимости сперматозоидов», - рассказывает Борденштейн. В том же году, когда эти результаты были обнародованы, исследователи под руководством биолога Марка Хохстрассера из Йельского университета сообщили об аналогичных результатах на другом штамме вольбахии, в совокупности предоставив первые доказательства генетической основы ЦН вольбахий.

   Борденштейн и его сотрудники продолжили изучение эффектов cifA и cifB, оценив, могут ли эти гены способствовать избавлению от ЦН, наблюдаемому при спаривании инфицированных самцов с инфицированными самками. Используя трансгенных плодовых мушек, экспрессирующих эти гены, они обнаружили, что экспрессия cifA самками избавляет от ЦН и отменяет эмбриональную гибель, индуцированную вольбахией.

   Способность вызывать, а у самок избавлять от ЦН была не единственным секретом, хранившимся в геноме фага WO. Борденштейн знал, что вольбахия может изменять соотношение полов в популяции с помощью, так называемого "убийства самцов", и исследователи рассматривали эту хитрую стратегию как еще один пример способности эндосимбионта обеспечивать свое присутствие в большой доле самок в популяции хозяина. Чтобы выяснить, связаны ли гены фага WO с этим фенотипом, группа Борденштейна использовала сравнительный геномный подход и нашла ген-кандидат, названный WO-mediated killing (wmk). Когда исследователи трансгенно экспрессировали wmk в плодовых мушках, они обнаружили, что wmk вызывает цитологические дефекты и эмбриональную смерть самцов. «Фаг WO обладает многими способностями, которыми обладают вольбахии, - говорит Борденштейн.

   Биолог Скотт О'Нил также был очарован биологическими хитростями Wolbachia. Основатель и исполнительный директор Всемирной программы борьбы с комарами впервые узнал об эндосимбионтах во время учебы в аспирантуре. Широкий спектр фенотипических последствий, которые бактерии вызывают у членистоногих, включая ЦН и гибель самцов, вдохновил О'Нила на изучение вольбахий в качестве агентов для борьбы с заболеваниями.

   Большинство патогенов, переносимых комарами, проходят значительный период развития внутри своих переносчиков, прежде чем они передаются новому хозяину, что говорит о том, что выживание комаров имеет огромное значение для передачи патогена. В конце 1990-х годов ученые выявили штамм Wolbachia, который сокращал продолжительность жизни своего естественного хозяина D. melanogaster. О'Нил увидел в этом потенциальную стратегию, позволяющую изменить возрастное распределение популяций комаров и тем самым повлиять на способность переносчиков распространять переносимые ими патогены.

   Чтобы изучить потенциальные способности вольбахий к уничтожению комаров, О'Нил и его сотрудники сначала должны были определить, сможет ли штамм, сокращающий жизнь, адаптироваться к новому хозяину. Они перенесли родную бактерию плодовой мушки в клеточную линию, полученную от комара Aedes albopictus, и поддерживали эту клеточную линию в течение более чем 200 серийных пассажей, прежде чем заразить другие клеточные линии комаров. Когда исследователи вновь ввели штамм Wolbachia в исходного хозяина, они наблюдали сокращение жизненного цикла и ЦН по сравнению с родной бактерией плодовой мушки, что говорит о том, что штамм адаптировался к своему новому хозяину - комару. 

   Затем исследователи ввели адаптированные к комарам вольбахии, сокращающие жизнь, в неинфицированные эмбрионы, чтобы получить линии комаров, несущие эндосимбионт. «Эксперименты по переносу были очень сложными, и мы потратили много времени на эту работу, пока не добились успеха», - вспоминает О'Нил. Затем группа занялась Aedes aegypti, основным переносчиком эпидемиологически значимых вирусов, уделяя особое внимание самкам комаров, которые питаются кровью и могут передавать возбудителей заболеваний в поисках следующей порции крови. Укорачивающий жизнь штамм Wolbachia не только сокращал продолжительность жизни самок комаров A. aegypti примерно на 50%, но и вызывал сильный фенотип ЦН, а также передавался потомству по материнской линии.

   Хотя нарушение биологии комаров казалось многообещающей стратегией борьбы с переносимыми комарами патогенами, у вольбахии был еще один трюк в рукаве. В середине 2000-х годов О'Нил сотрудничал с Кэрин Джонсон, молекулярным вирусологом из Квинслендского университета, которая была заинтересована в изучении влияния эндосимбионтов на вирусы, переносимые D. melanogaster. Исследователи изучили выживаемость мух, зараженных или не зараженных вирусными патогенами, и обнаружили, что у плодовых мушек, переносящих вольбахии, отмечалась отсроченная гибель, что соответствовало отсроченному накоплению вирусов в организме насекомых. «Этот результат был очень поразительным и очень мощным», - отмечает О'Нил.

   О'Нил понял, что это еще одна способность вольбахии, которую можно использовать для борьбы с заболеваниями, переносимыми насекомыми, в частности с теми, которые передаются комарами. Используя зараженных вольбахией комаров A. aegypti, которых они ранее вывели, О'Нил и его коллеги показали, что у комаров, несущих вольбахию, снизилась нагрузка вирусов денге и чикунгунья, что говорит о том, что эндосимбионт блокирует эти вирусы от репликации внутри их естественного переносчика.

   За последние 15 лет О'Нил и другие исследователи перевели эти ранние лабораторные результаты в полевые стратегии по борьбе с заболеваниями, переносимыми комарами, и показали обнадеживающие результаты по снижению распространения денге во многих регионах мира. «Политики и скептики от науки часто недооценивают тот факт, что наши усилия, вложенные в фундаментальные базовые исследования, могут привести к грандиозным результатам», - говорит Борденштейн. «Большая часть биологии вольбахий изначально была фундаментальной наукой. А сейчас она используется для борьбы с заболеваниями, передаваемыми комарами, и заболеваниями, вызываемыми нематодами-филяриями», - отметил он. 

«Речь идет о миллионах людей, у которых благодаря этой фундаментальной науке может быть снижено бремя заболеваний или риск их возникновения».

   Хотя за последние 100 лет исследователи раскрыли многие биологические тайны Wolbachia, остаются загадки, которые еще предстоит решить. По мнению Борденштейна и Салливана, одной из таких загадок является механизм, опосредующий процесс избавления от ЦН. Борденштейн планирует заняться этим явлением, чтобы лучше понять, как инфицированные вольбахией самки дешифруют изменения, которые эндосимбионт вызывает у самцов, позволяя эмбриональному развитию происходить.

   По словам Салливана, еще одним интересным направлением является понимание того, как вольбахия влияет на соматические клетки. «У вольбахии огромная соматическая жизнь», - говорит он. Его группа изучает эту сторону жизни эндосимбионта, исследуя, как вольбахия может влиять на поведение хозяина. «Это целая удивительная история о том, как Wolbachia воздействует на различные области мозга, чтобы повлиять на поведение», - утверждает Салливан.

   То, как микроорганизмы, включая вольбахию, могут способствовать видообразованию, - еще одна область интереса Борденштейна. «Микроорганизмы по существу игнорировались в последние 100 лет биологии видообразования, в которой с момента начала современного синтеза в основном доминировала генетика и поиск количества и типов генов», - пояснил он. За прошедшие годы исследователи нашли доказательства того, что микробные симбионты могут влиять на происхождение видов. «Когда мы сможем открыть этот ящик Пандоры немного шире, мы действительно начнем понимать, важны ли микробы-симбионты для видообразования настолько же, насколько важны гены», - говорит Борденстайн. «Это большой вопрос».

Источник:

The Scientist, 13 Dec.,2024

Комментариев: 0
Узнайте о новостях и событиях микробиологии

Первыми получайте новости и информацию о событиях