Муха-дрозофила против паразитической осы: как хитрость побеждает силу
Плодовые мушки, как правило, очень уязвимы перед осами-паразитами, которые откладывают яйца на их теле. Но некоторым из мух удалось «своровать» у бактерий ген, который делает их менее уязвимыми.
В условиях непрекращающейся «гонки вооружений» между паразитами и их хозяевами эволюционные инновации на протяжении нескольких поколений являются ключом к успешной атаке или защите, позволяющие победить (пусть временно) в борьбе за выживание. Но иногда, как и в человеческом мире, банальное воровство может быть более эффективным и быстрым способом достижения цели.
Биологи Калифорнийского университета в Беркли доказали, что несколько видов плодовых мушек воспользовалось помощью бактерий-симбионтов, чтобы выжить после нападения ос-паразитов, которые превращают личинки мух в суррогатных матерей для осиных детенышей. Ужасная судьба бедных мушек, напомнила фабулу фильма 1979 года «Чужой».
Бактерии и другие микроорганизмы сплошь и рядом крадут гены у собратьев по микромиру. Так называемый горизонтальный перенос генов является главным источником резистентности болезнетворных микробов к антибиотикам. Но считается, что у многоклеточных организмов, будь то насекомые или люди, он встречается намного реже. Знание того, насколько горизонтальный перенос распространен у животных и как гены взаимодействуют друг с другом, может помочь ученым понять эволюцию иммунной защиты животных и указать путь к разработке методов борьбы с паразитарными и инфекционными заболеваниями у людей и домашних питомцев. Не исключено, что знание пригодится и при лечении рака, который по сути можно рассматривать в качестве «доморощенного» эндопаразита.
«Это модель для понимания того, как эволюционируют иммунные системы, включая нашу иммунную систему, которая также содержит гены, передающиеся горизонтально», — говорит Ной Уайтман, профессор молекулярной и клеточной биологии и интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли и директор энтомологического музея Эссиг в кампусе университета.
В прошлом году исследователи и их коллеги из Венгрии использовали редактор генома CRISPR, чтобы «отключить» ген, ответственный за защиту у мух Drosophila ananassae, и обнаружили, что почти все генетически модифицированные мухи погибли от хищничества ос-паразитов.
В новом исследовании, опубликованном 20 декабря в журнале Current Biology, биологи продемонстрировали, что этот защитный ген, кодирующий токсин, смертельный для яиц ос-паразитов, может быть изменен в геноме обычной лабораторной плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это делает ее устойчивой к осам-паразитам. Ген, по сути, становится частью иммунной системы мухи, одним из ее средств защиты от чужеродного вторжения.
«Мы видим, что горизонтальный перенос генов — недооцененный способ быстрой эволюции у животных», — считает докторант Калифорнийского университета в Беркли Ребекка Тарнопол, соавтор публикации. «Горизонтальный перенос генов был известен как один из основных факторов быстрой адаптации микробов, но считалось, что у более высокоорганизованных организмов эти явления происходят крайне редко. Но теперь мы видим, что для насекомых это в порядке вещей».
По словам Уайтмана, ведущего автора статьи, «Исследование показывает, что для того, чтобы противостоять нашествию паразитов, которые постоянно разрабатывают новые способы преодоления защитных сил организма, хорошей стратегией является заимствование генов у более изменчивых вирусов и бактерий».
Помимо прочего Уайтман изучает, как насекомые эволюционируют, чтобы противостоять токсинам, которые вырабатывают насекомоядные растения. В 2023 году он опубликовал книгу «Самый вкусный яд», в которой рассказывается о растениях, вырабатывающих любимые людьми кофеин и никотин.
Одно из взаимодействий между растениями и насекомыми, на котором он сосредоточен, — это борьба между плодовой мухой Scaptomyza flava и горчичными растениями с кислым вкусом, такими как кресс-салат, которые растут по берегам ручьев по всему миру.
«Личинки мухи живут в листьях растения. Они питаются тканью листьев, оставляя на них множество мелких следов», — рассказывает Уайтман. «Это настоящие паразиты растения, и оно пытается уничтожить их с помощью специально разрабатываемого химического оружия. Мы сейчас увлеченно изучаем эту «гонку вооружений».
«Примерно половина современных видов насекомых питается растительной пищей, так что борьба растений с насекомыми-паразитами крайне актуальна. Понимание эволюции в этой сфере углубляет наши знания об эволюции в целом», — убежден Уайтман.
Несколько лет назад, после секвенирования генома мухи в поисках генов, которые позволяют ей противостоять яду горчицы, ученый обнаружил необычный ген, который, как выяснилось, широко распространен среди бактерий. Поиск по ранее опубликованным последовательностям генома выявил тот же ген у родственной мухи Drosophila ananassae, а также у бактерии, которая живет в организме мух.
Исследователи, изучающие мушек, обнаружили сложную цепь событий: ген на самом деле происходил от вируса-бактериофага, который заражает бактерии, живущие внутри мухи. Далее ген бактериофага, передаваемый бактериями, делает их хозяйку устойчивой к паразитирующим на ней осам.
Осы в случае с дрозофилой, откладывают яйца внутри личинок мушки. Яйца остаются там до тех пор, пока подвижные червячки не превратятся в неподвижных куколок. После этого из осиных яиц вырастают личинки ос, которые съедают куколку мухи и в конечном итоге достигают стадии имаго. В данном случае личинки ос из паразитов постепенно превращаются в паразитоидов, питаясь соками сначала живого, а затем мертвого хозяина.
Когда Ребекка Тарнопол впервые применила генное редактирование для экспрессии гена, отвечающего за синтез токсина, во всех клетках D. melanogaster, все мухи погибли. Токсин оказался смертельным не только для паразитов, но и для хозяина. Но когда Тарнопол экспрессировала ген только в определенных иммунных клетках, муха выжила и приобрела такую же устойчивость к паразитам, как и ее родственница, D. ananassae.
Впоследствии Уайтман, Тарнопол и их коллеги пришли к выводу, что ген, обнаруженный в геноме D. ananassae, — слияние двух генов, ответственных за производство специфических «антиосиных» токсинов и белка, индуцирующего апоптоз (программируемое разрушение клеток в результате расщепления ДНК). Этот ген исследователи назвали fusionB.
Выяснить, как нуклеаза уничтожает осиные яйца, исследователям из Калифорнии помог Иштван Андо из Института генетики Центра биологических исследований в Сегеде, Венгрия, который ранее также доказал, что у мух есть клеточная защита от осиных яиц.
Андо и его коллеги по лаборатории создали антитела к токсину, которые позволили им отслеживать его циркуляцию в организме мухи, и обнаружили, что нуклеаза целенаправленно собирается в месте внедрения чужеродного яйца и убивает его.
«Мы обнаружили огромный нетронутый мир гуморальных факторов, которые могут играть важную роль в иммунной системе беспозвоночных», — говорит Ребекка Тарнопол. «Наша работа — одна из первых, которая показала, что подобный тип иммунного ответа может быть распространенным механизмом борьбы с естественными врагами, такими как паразитические осы и нематоды».
«Антиосиный ген действует крайне избирательно, в нужном месте и в нужное время. Если он проявляет себя «не там», муха погибнет. Этот ген не распространится среди популяций в результате естественного отбора», — подчеркивает Уайтман. «Но, если он включается после внедрения в тело мухи посторонней биоты, жертва получает весомый козырь в борьбе за выживание».
«Когда вы бедная маленькая плодовая мушка, вам крайне трудно справиться с патогенами и паразитами, которые постоянно эволюционируют, чтобы использовать вас в своих интересах», —добавляет ученый. «Единственный способ выживания — заимствовать нужные гены у способных к быстрой эволюции бактерий и вирусов. Это гениальная стратегия — вместо того, чтобы ждать, пока вас спасет собственный иммунитет, можно перенять механизм у других организмов. И, похоже, это типично для разных видов насекомых, не только для дрозофил.
Ранее ученые нашли у мушек-дрозофил еще один необычный белок.
