Прочитаний геном самої безжальної мухи на світі • Олександр Марков • Новини науки на "Елементи" • Генетика, Паразитологія, Ентомологія

Прочитаний геном самої безжальної мухи на світі

муха цеце Glossina morsitans. Фото G. M. Attardo для Tsetse Genome Biology Collection

Міжнародний дослідницький колектив завершив роботу з секвенування генома мухи цеце Glossina morsitans, Переносника трипаносомозов – небезпечних захворювань людини і домашніх тварин. Муха цеце – один з важливих факторів, що ускладнюють економічний і соціальний розвиток країн тропічної Африки. Геномні дані прояснили молекулярно-генетичні основи багатьох унікальних особливостей мухи цеце, таких як сувора кров'яна дієта, живородіння, млекопітанія і симбіоз з трьома видами бактерій. Ці відомості допоможуть в пошуку "вразливих місць" мухи цеце, що необхідно для розробки ефективних засобів боротьби з нею.

Муха цеце відома як переносник паразитичних найпростіших – трипаносом (див. Trypanosoma), збудників африканського трипаносомозу, або сонної хвороби. Вакцину від цього смертельного захворювання так і не вдалося створити, а наявні ліки дають сильні побічні ефекти. Хоча в останні роки захворюваність людей на сонну хворобу вдалося знизити, тріпаносомози тварин, також розноситься мухою цеце, як і раніше представляють серйозну проблему для країн тропічної Африки, роблячи тваринництво в багатьох районах невигідним або взагалі неможливим (див. Animal trypanosomiasis).

Прочитання генома мухи цеце вселяє надію на розробку ефективних методів боротьби з цим шкідливим комахою. Міжнародна група вчених (див. International Glossina Genome Initiative) повідомила про прочитання і перші результати аналізу генома Glossina morsitans в серії з 11 статей в журналах PLoS (Public Library of Science) І в узагальнюючої статті в Science.

Область поширення мухи цеце. Малюнок з синопсиса E. Pennisi, 2014. Genome Yields Clues to Tsetse Fly's Strange and Deadly Ways

Муха цеце має ряд унікальних особливостей, за які можна "зачепитися" при розробці заходів боротьби з нею, особливо якщо аналіз генома дозволить розібратися в молекулярно-генетичних основах цих незвичайних ознак.

На відміну від інших комах, не тільки самки, а й самці Glossina харчуються виключно кров'ю ссавців. Якщо звичайні мухи відкладають десятки і сотні яєць, то самки Glossina народжують одну велику личинку, готову до окукливанию. За свою довгу (по Мушина мірками) життя самка може встигнути народити до 8-10 личинок; кожна вагітність триває близько 10 днів. Розвиваючись в материнському організмі, личинка харчується молоком, яке виробляється в спеціальних молочних залозах. Вони розвинулися в ході еволюції з придаткових залоз, які є і у самок звичайних комах, але служать для більш прозаїчних цілей,таких як виробництво компонентів яєчних оболонок.

Розмір геному мухи цеце – 366 млн пар основ, приблизно вдвічі більше, ніж у дрозофіли. При цьому порядок розташування генів в хромосомах у обох мух має багато спільного. Різниця в розмірах геному обумовлено більш довгими "безглуздими" фрагментами (интронами і міжгенних проміжками) у цеце в порівнянні з дрозофіли. Мобільні елементи складають 14% генома у цеце і тільки 3,8% у дрозофіли. Все це, швидше за все, пояснюється низькою плодючістю і меншою ефективною чисельністю популяції мухи цеце, що, в свою чергу, призводить до ослаблення очищає відбору, що видаляє з генома "зайві" ділянки (див. Статтю M. Lynch, JS Conery, 2003. The Origins of Genome Complexity).

Як і личить професійному кровососові, муха цеце в своєму розпорядженні великий репертуаром спеціалізованих генів, які працюють в слинних залозах і кодують білки, які роблять кровосмоктанні більш ефективним. Ці білки, зокрема, не дають крові згортатися і пригнічують імунну реакцію жертви. Набір таких білків у цеце значно більше, ніж у інших комах. Як з'ясувалося, у мух, заражених трипаносомами, активність багатьох з цих генів в слинних залозах пригнічена,тоді як експресія генів, пов'язаних з реакцією на стрес і лагодженням пошкоджених клітин, навпаки, підвищена. Мабуть, трипаносоми ушкоджують слинні залози і порушують роботу генів зараженої мухи, щоб продовжити кровосмоктанні і тим самим підвищити ймовірність власного попадання в кров ссавця.

У цеце виявився більш великий, ніж у інших комах, репертуар білків-аквапорінов, службовців для швидкої перекачування води через клітинні мембрани. Аквапоріни необхідні кровоссальні мухи, по-перше, для відкачування зайвої води з випитої крові, по-друге – для розведення секрету молочних залоз при виробництві молока. Відключення генів аквапорінов призводить до більш довгої вагітності, тобто до затримки розвитку личинки, що негативно позначається на плідності самок.

У геномі мухи цеце присутній великий набір генів молочних білків, які за своїми властивостями і функціями дуже схожі на молочні білки ссавців. Серед них є, зокрема, емульгатори жирів, джерела амінокислот і переносники фосфатної групи. Багато генів молочних білків сформувалися у предків цеце шляхом дуплікацій.

Автори детально вивчили регуляцію експресії генів молочних білків.Виявилося, що ці білки синтезуються виключно в молочних залозах, причому рівень виробництва тісно пов'язаний з фазою вагітності: чим більший личинка, тим більше молочних білків виробляє самка. Порушення синтезу молочних білків веде або до затримки розвитку личинки, або до викидня, причому передчасно народжена личинка гине. Авторам вдалося ідентифікувати регуляторний ділянку (енхансер) гена основного молочного білка (milk gland protein 1, mgp1), Завдяки якому експресія гена здійснюється тільки в молочних залозах, підлаштовуючись під фазу репродуктивного циклу. Щоб вивчити властивості виявленого енхансера, дослідники з'єднували його з геном LacZ (Див. Репортёрний ген) і з геном зеленого флуоресцентного білка, а отримані конструкції вставляли в геном дрозофіли. Експерименти показали, що регуляторна послідовність мухи цеце забезпечує експресію підконтрольного гена у дрозофіли тільки в придаткових залозах (від яких відбулися молочні залози цеце) і тільки у активно розмножуються самок. Таким чином, регуляторна система, яка контролює синтез молочних білків, виявилася еволюційно консервативної: мухи цеце не «винайшли" її, а успадкували від яйцекладущих предків.Авторам вдалося також ідентифікувати ген, який кодує регуляторний білок (транскрипційні фактор), який взаємодіє з виявленим енхансером. Ним виявився гомеобоксних ген Ladybird late (lbl). Штучне зниження експресії lbl призводить до зменшення виробництва молочних білків, що негативно позначається на плідності самок цеце. Таким чином, lbl – зручна "мішень" для розробки нових засобів контролю чисельності Glossina.

Під час лактації на гени 12 найважливіших молочних білків припадає половина всієї транскрипционной активності в організмі самки. Масований синтез білка в період лактації створює загрозу окисного стресу, з яким вагітна муха справляється, збільшуючи виробництво спеціальних антиоксидантних ферментів (див. Antioxidant enzymes). Відключення генів цих ферментів призводить до того, що з кожною вагітністю плодючість самки швидко знижується, тоді як в нормі вона не виявляє ознак репродуктивного старіння аж до народження 8-10 нащадків. Таким чином, гени антиоксидантних ферментів – ще одне специфічне "вразливе місце" мухи цеце.

Репертуар генів, відповідальних за метаболізм вуглеводів, у цеце виявився різко скорочений порівняно з іншими мухами,що безпосередньо пов'язано з її кров'яної дієтою. Вміст цукрів і глікогену в тканинах Glossina вкрай низька. Більш того, серед смакових рецепторів мухи цеце навіть не знайшлося рецепторів солодкого смаку (які, звичайно, є у всіх нормальних комах, що не гидують вуглеводною їжею). У наборі білків, пов'язаних з обміном речовин, у мухи цеце виявлений ряд спільних рис з іншими кровососами.

Як і безліч інших комах із спеціалізованою дієтою, цеце заповнює брак необхідних поживних речовин і вітамінів завдяки співпраці з симбиотическими бактеріями, що передаються у спадок від матері до дітей. Найважливіший симбіонт цеце – бактерія Wigglesworthia, Що населяє клітини спеціального органу – бактеріома і протоки молочних залоз. Без цього симбіонту більшість вагітностей закінчується викиднем, тобто плодючість самок різко знижується. геном Wigglesworthia містить гени, необхідні для синтезу вітамінів групи B, тоді як у Glossina є тільки гени, необхідні для їх транспортування. Очевидно, симбіонт забезпечує господаря вітамінами.

Ще один симбіонт мухи цеце, успадковані по материнській лінії – бактерія Wolbachia, живе в основному в статевих залозах. Вона викликає у мух так звану цитоплазматичну несумісність (див.Cytoplasmic incompatibility), тобто загибель потомства від схрещування зараженого самця з незараженной самкою. Таким способом бактерія знижує плодючість незаражених самок, що побічно дає репродуктивну перевагу зараженим самкам, які передають вольбахія своєму потомству. Це – адаптація бактерії, що сприяє її прискореному поширенню в популяції господарів.

Автори виявили в геномі цеце три вбудованих фрагмента геному вольбахія (про інші випадки перенесення генів вольбахія в геном господаря див .: Тварини обмінюються генами з паразитичними бактеріями, "Елементи", 05.09.2007). Бактеріальні вставки НЕ транскрибуються, але можуть грати якусь роль в генної регуляції: це питання вимагає окремого вивчення. Крім того, в геномі мухи цеце знайшлися вбудовані вірусні гени, характерні для браковірусов наїзників-браконид (про наїзників і їх віруси див .: Вершники пригнічують імунний захист своїх жертв за допомогою приручених вірусів, "Елементи", 19.02.2009). Швидше за все, це означає, що на мухах цеце паразитують (або раніше паразитували) якісь невідомі наїзники. Цей факт відкриває ще одне можливе напрям для розробки "біологічної зброї" проти переносника сонної хвороби.

Третій симбіонт мухи цеце, бактерія Sodalis, Зустрічається у всіх тканинах мухи, а також в травному тракті. Ці симбіонти цікаві тим, що вони, мабуть, впливають на ймовірність зараження мухи трипаносомами. бактерії Sodalis виробляють фермент хітинази, який порушує цілісність перітрофіческой мембрани, що сприяє проникненню трипаносом з випитої крові в тканини комахи. Автори відзначають, що одним із способів боротьби з Трипаносомоз може бути генетична модифікація бактерій Sodalis. Наприклад, якщо позбавити симбіонтів здатності виробляти хітинази, зараженість мух трипаносомами повинна знизитися. Більш того, в геном Sodalis можна вставляти гени захисних білків (наприклад, антитіл), які будуть вибірково атакувати трипаносом в кишечнику мухи (див .: L. De Vooght et al., 2012. Expression and extracellular release of a functional anti-trypanosome Nanobody in Sodalis glossinidius, A bacterial symbiont of the tsetse fly).

Бактеріальні симбіонти мухи цеце. Wolbachia (червоні кружки) Локалізується в яєчниках (Ovaries). Wigglesworthia (зелені палички) Мешкає всередині клітин спеціального органу – бактеріома (bacteriome) І в протоках молочної залози (milk gland). Sodalis (сині палички) Зустрічається у всіх тканинах і в травному тракті (Digestive tract). Intrauterine larva – личинка, що розвивається в матці; у неї є свій бактерій (Larval bacteriome) З симбионтами Wigglesworthia, успадкованими від матері. Малюнок з узагальнюючої статті в Science

Репертуар генів імунної захисту у мухи цеце виявився сильно збідненим в порівнянні з дрозофіли. Це може пояснюватися, по-перше, меншою кількістю патогенних мікробів в крові ссавців у порівнянні з їжею дрозофіли (гниють плодами), по-друге, необхідністю зберегти в цілості життєво важливого симбіонту Wigglesworthia. Для інших комах з облігатними бактеріальними симбионтами (наприклад, попелиць) теж характерний бідний репертуар антибактеріальних білків.

Автори склали детальний перелік рецепторних білків мухи цеце. Точні дані про те, які запахи, смаки і кольори сприймає муха, повинні допомогти в розробці всіляких принад і пасток. Виявилося, що у цеце менше нюхових рецепторів, ніж у інших комах з прочитаними геномами (дрозофіл, комарів, бджіл). Це логічно, враховуючи суворі харчові переваги мухи цеце і вузьке коло господарів, чиєю кров'ю вона може харчуватися. Правда, один нюховий рецептор дрозофіли, робота якого пов'язана з вибором самкою статевого партнера, виявився представлений у Glossina цілими шістьма Паралогія.Чи означає це, що самки цеце відрізняються підвищеною вередливістю при виборі партнера? Це було б логічно, враховуючи величезний материнський внесок в потомство.

Подібно до інших швидко літаючим двокрилим, муха цеце, судячи по геному, володіє чудовим зором, адаптованим для ефективного пошуку видобутку (а у самців – ще й для пошуку самок). Кольоровий зір засноване на чотирьох світлочутливих білках – опсин, один з яких налаштований на синє світло. Це узгоджується з тим, що мух цеце привертає все синє (обставина, важливе для розробки пасток).

Таким чином, вже найперший, поверхневий аналіз генома мухи цеце дозволив виявити цілий ряд "вразливих місць" в біології шкідливого комахи. Будемо сподіватися, що ці знання допоможуть, по-перше, остаточно перемогти сонну хворобу, по-друге, впоратися з Трипаносомоз тварин, що має радикально поліпшити перспективи економічного і соціального розвитку країн тропічної Африки. Правда, досвід боротьби з малярією та іншими небезпечними захворюваннями, які переносяться комахами, показує, що на швидкий успіх навряд чи варто розраховувати: прочитання генома переносника (і, звичайно, самого збудника: геном Trypanosoma brucei був прочитаний ще в 2005 році) – це лише необхідний перший крок. Шлях від геномних даних до ефективних засобів контролю чисельності комах, на жаль, довгий і важкий.

джерела:
1) 11 статей, присвячених аналізу генома мухи цеце, Tsetse Genome Biology Collection, в журналах серії PLoS (Public Library of Science).
2) Узагальнююча стаття в Science: J. Watanabe et al. (International Glossina Genome Initiative). Genome Sequence of the Tsetse Fly (Glossina morsitans): Vector of African Trypanosomiasis // Science. 2014. V. 344. P. 380-386.
3) Синопсис: E. Pennisi. Genome Yields Clues to Tsetse Fly's Strange and Deadly Ways // Science. 2014. V. 344. P. 349-350.

Олександр Марков


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: