Бактерия Wolbachia pipientis — облигатный паразит насекомых. Для увеличения своей популяции бактерия провоцирует самок насекомых интенсивно и беспорядочно спариваться. Ученые изучили белковый механизм этого феномена и спросили себя, а нельзя ли использовать его на благо людей.
Когда плодовые мушки Drosophila melanogaster заражаются бактерией Wolbachia pipientis, их сексуальная жизнь и способность к размножению кардинально меняются. Ученый из Университета штата Аризона Тимоти Карр решил выяснить, почему так происходит. То, что он обнаружил, важно не только с точки зрения познания. Результаты исследования пригодятся в борьбе с переносящими болезни комарами и с вредителями сельскохозяйственных культур. И это по мнению ученого лишь верхушка айсберга.
Вольбахия — это бактерия-паразит, которая живет внутри клеток насекомых. Иногда ее называют облигатным симбионтом, поскольку насекомые видят от вольбахий не только вред, но и пользу. Ею заражены по меньшей мере две из каждых пяти насекомых в мире, а также многие паразитических круглые черви-филярии. Поскольку насекомые преобладают над всеми остальными формами жизни на Земле, понимание того, как эта бактерия влияет на экосистемы, может иметь далеко идущие последствия.
Тимоти Карр, руководитель лаборатории масс-спектрометрии Аризонского государственного университета и доцент-исследователь в Центре изучения нейродегенеративных заболеваний АГУ, убежден, что насекомые правят этой планетой. Малярия, лихорадка денге, вирус Зика — все эти инфекции переносятся насекомыми и ежегодно убивают миллионы детей и взрослых. Борьба с насекомыми-вредителями полностью зависит от нашей способности понять их физиологию и биохимию и определить их слабости и врагов.
Как и любой уважающий себя паразит, Wolbachia стремится распространиться как можно шире. Но она может передаваться только от зараженной самки к ее потомству. Чтобы повысить свои шансы, она влияет на своих хозяев таким образом, что зараженные самки откладывают больше зараженных яиц.
У плодовых мушек Wolbachia делает инфицированных самцов неспособными оплодотворять неинфицированных самок. Неинфицированная самка — это тупик для Wolbachia. Такой же эффект наблюдается у некоторых других видов, что делает бактерии потенциальным инструментом для борьбы с насекомыми.
С самками плодовых мушек Wolbachia поступает по-другому — она делает их более подвижными. Зараженные особи с большей вероятностью будут спариваться и откладывать больше яиц. Они становятся способными к копуляциям с самцами других видов, откладывая затем гибридные яйца.
В то время как влияние Wolbachia на самцов хорошо изучено, о том, как хитрая бактерия-провокатор влияет на самок, было известно меньше. Карр и его коллеги из Калифорнийского университета, решили изучить, внутриклеточные механизмы, которые делают мушек такими неразборчивыми в связях. Их результаты опубликованы в Cell Reports.
Протеиновый коктейль
Самки плодовых мушек при выборе партнера полагаются на восприятие и особый центр принятие решений в их мозге. Когда Карр и его коллеги изучили организм инфицированных самок, они обнаружили вольбахию в областях, отвечающих за эти функции. Она идеально располагалась для того, чтобы влиять на брачное поведение. Команда исследователей сравнила белки в нервной системе инфицированных и неинфицированных самок. Чтобы найти то, что не могло найти геномное секвенирование, потребовался анализ белков.
Уровень и состав белков в мозге инфицированных мушек явно отличался. Более 170 белков изменились: количество одних увеличилось, а других уменьшилось по сравнению с количеством в неинфицированных насекомых. Когда исследователи генетически изменили уровень трех из этих белков у незараженных мух, модифицированные мухи начали вести себя как зараженные.
Команда исследователей выявила более 700 белков Wolbachia в мозге самок. Используя программу AlphaFold, Карр и его коллеги «прокачали» роли наиболее распространенных из этих белков в нервной системе мушек. Как минимум два из них напрямую взаимодействовали с белками хозяина — теми, что связаны с брачным поведением.
Тимоти Карр полагает, что исследование позволило найти ряд другие «жемчужин», которые могут оказаться даже более важными, чем белки-манипуляторы. Вольбахии вырабатывают другие протеины, которые могут не иметь никакого отношения к «поведенческим» белкам, но непосредственно связаны с выработкой так называемых незаменимых аминокислот.
Плодовые мушки (как и люди) не вырабатывают необходимые организму аминокислоты. Они получают их с пищей или от живущих в организме бактерий. Wolbachia, по-видимому, вырабатывает эти питательные вещества для своих хозяев, что дает зараженным мушкам конкурентные преимущества перед незараженными.
Это закономерность, наблюдаемая на протяжении всей эволюции. Митохондрии, «энергетические станции клетки», изначально были простыми бактериями, которые заражали клетки. Со временем они стали настолько полезными, что клетки стали зависеть от них. Карр считает, что аналогичный процесс может происходить и с вольбахиями.
А при чем здесь люди
Другие исследования показали, что вольбахии могут препятствовать размножению таких патогенов, как вирусы Зика и денге, в организме комаров. Усилия по борьбе с этими заболеваниями и сокращению популяции комаров пока успехом не увенчались.
Карр считает, что ученые только начинают продвигаться вперед в понимании влияния бактерий на развитие вирусов в организме комаров. Чтобы вылечить любое заболевание, усовершенствовать любую биологическую технологию, нужно знать молекулярную кухню происходящих в клетках процессов.
Понимание того, как белки вольбахии взаимодействуют с белками хозяина, может помочь в разработке стратегий борьбы с насекомыми-переносчиками болезней и защиты сельскохозяйственных культур без применения опасных инсектицидов. Результаты этого исследования также могут помочь защитить полезных опылителей, прежде всего пчел.
Успех команды в анализе белков вдохновляет ученых на новые исследования с использованием этого метода. «Анализ белков — то место встречи, которое изменить нельзя», — уверен Тимоти Карр.
В оригинале по-английски это звучит как «то место, где резина встречается с дорогой» (Proteins are where the rubber meets the road). Исследователь убежден, что эта дорога приведет к новым открытиям и спасению человеческих жизней.
Источник