Секрет успеха сверхдостигающей бактерии заключается в ее способности нарушать воспроизводство хозяев. Биологи знают, что Wolbachia обладает этой силой более 40 лет, но только сейчас команды биологов из университетов Вандербильта и Йельского университета определили конкретные гены, которые придают эту замечательную способность.
Два университета подали заявку на патент на потенциальное использование этих генов для генетической инженерии либо бактериального паразита, либо самих насекомых, чтобы создать более эффективные методы контроля распространения болезней, переносимых насекомыми, таких как денге и вирус Зика, и уменьшения разрушительного воздействия вируса. сельскохозяйственные вредители.Это достижение описано в журнале Nature в статье «Гены профага WO повторяют и усиливают индуцированную Wolbachia цитоплазматическую несовместимость» и в сопутствующей статье «Деубиквитилирующий фермент Wolbachia вызывает цитоплазматическую несовместимость» в журнале Nature Microbiology, опубликованном 27 февраля в Интернете.«На протяжении десятилетий мы знали, что один из секретов успеха Wolbachia заключается в том, что он мешает размножению хозяина, чтобы распространяться через самок. Но как бактерия сделала это, было большой загадкой для этой области», — сказал доцент кафедры биологии.
Наук Сет Борденштейн, возглавивший контингент Вандербильтов. «Теперь мы знаем гены, дающие ему такую возможность».Wolbachia обычно манипулирует воспроизводством своих хозяев с помощью процесса, называемого «цитоплазматическая несовместимость» или CI.
Это делает сперму инфицированных самцов смертельной для яиц неинфицированных самок. Исследователи идентифицировали одну пару генов Wolbachia, которые производят этот эффект только при совместной работе.
Когда инфицированный самец спаривается с незараженной самкой, из яиц вылупляется очень мало яиц, если они вообще появляются. 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 увеличивает количество инфицированных самок 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 использовать эту естественную бактерию для борьбы с комарами, которые распространяют болезни человека, и недавно добились заметных первых успехов.Вольбахия обычно не встречается у Aedes aegypti, комара, распространяющего вирусы денге, Зика и чикунгунья.
Однако десять лет назад группа австралийских ученых обнаружила, что когда Wolbachia вводится в Aedes, это предотвращает рост вирусов этих болезней. Это привело к созданию международного некоммерческого сотрудничества под названием «Устранение денге».Результаты были чрезвычайно многообещающими, поэтому группы проводят полевые исследования по всему миру, чтобы определить наиболее эффективный способ использования Wolbachia для борьбы с вирусом Зика и денге, который считается самым важным и наиболее быстро распространяющимся вирусным заболеванием, переносимым комарами, в мире. .Другие инициативы, такие как «MosquitoMate» в Кентукки, также используют этот подход для уменьшения численности популяций комаров путем выпуска инфицированных самцов комаров, которые стерилизуют неинфицированных самок в дикой природе через CI.«Есть два основных подхода к использованию Wolbachia для устранения или сдерживания распространения таких вирусов, как лихорадка денге и Зика», — сказал Борденштейн.
Стабильный подход, называемый замещением популяции, заключается в том, чтобы ввести как самцов, так и самок, инфицированных Wolbachia, так, чтобы они распространяли бактерии самостоятельно, пока они в конечном итоге не заменили резидентную популяцию. По мере их распространения риск передачи денге и вируса Зика снижается, поскольку Wolbachia препятствует размножению вирусов этих болезней.Второй подход, называемый подавлением популяции, заключается во введении большого числа инфицированных мужчин. Поскольку неинфицированные самки, спаривающиеся с инфицированными самцами, не могут размножаться, это уменьшает размер целевой популяции насекомых-переносчиков болезней или сельскохозяйственных вредителей.
Первый подход медленный, но устойчивый и должен в конечном итоге привести к сокращению или фактическому устранению передачи болезни. Второй подход быстрее, но популяция насекомых может восстановиться, поэтому его нужно вводить повторно.
Исследователи Vanderbilt обнаружили, что использование генной инженерии для вставки генов Wolbachia CI в инфицированных насекомых может усилить эффект несовместимости и, таким образом, значительно снизить скорость вылупления неинфицированных самок, спаривающихся с инфицированными самцами. В результате это может увеличить скорость распространения бактерии.Этот результат открывает две возможности, которые являются предметом патентной заявки: первая — это прямая трансформация штаммов Wolbachia путем вставки большего количества копий генов CI.
При использовании для замещения популяции насекомые, инфицированные этой «супер-вольбахией», должны распространяться быстрее и могут быть более эффективными при использовании для замещения или подавления популяции. Другой — вставить гены CI в геном насекомого, чтобы они могли напрямую вызывать CI.
Это позволит использовать этот метод для подавления видов насекомых, устойчивых к инфекции Wolbachia.Борденштейн и его коллеги охотились за генами CI в течение почти двух десятилетий и выследили их путем секвенирования и сравнения геномов Wolbachia из штаммов, которые вызывают и не вызывают CI. 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, это снесло крышу», — сказал Борденштейн. «Мы смогли генетически воспроизвести и усилить эффект КИ у дрозофилы».По словам биологов, происхождение генов CI остается полной загадкой. Они расположены в части генома Wolbachia, называемой эукариотическим ассоциативным модулем, который содержит гены, которые бактерия, по-видимому, использует для взаимодействия со своим хозяином.
Кроме того, исследователи понятия не имеют, откуда они взялись. Следующим шагом исследователей будет поиск генов у инфицированных самок, которые противодействуют CI, которые спасают их яйца и позволяют им нормально вылупляться.