03.05.2014

Прочтен геном самой кровожадной мухи на свете

Международный исследовательский коллектив завершил работу по секвенированию генома мухи цеце Glossina morsitans, переносчика трипаносомозов — опасных заболеваний человека и домашних животных. Муха цеце — один из важных факторов, затрудняющих экономическое и социальное развитие стран тропической Африки. Геномные данные прояснили молекулярно-генетические основы многих уникальных особенностей мухи цеце, таких как строгая кровяная диета, живорождение, млекопитание и симбиоз с тремя видами бактерий. Эти сведения помогут в поиске «уязвимых мест» мухи цеце, что необходимо для разработки эффективных средств борьбы с ней.

Муха цеце известна как переносчик паразитических простейших — трипаносом (см. Trypanosoma), возбудителей африканского трипаносомоза, или сонной болезни. Вакцину от этого смертельного заболевания так и не удалось создать, а имеющиеся лекарства дают сильные побочные эффекты. Хотя в последние годы заболеваемость людей сонной болезнью удалось снизить, трипаносомозы животных, также разносимые мухой цеце, по-прежнему представляют серьезную проблему для стран тропической Африки, делая животноводство во многих районах невыгодным или вообще невозможным (см. Animal trypanosomiasis).

Прочтение генома мухи цеце вселяет надежду на разработку эффективных методов борьбы с этим вредоносным насекомым. Международная группа ученых (см. International Glossina Genome Initiative) сообщила о прочтении и первых результатах анализа генома Glossina morsitans в серии из 11 статей в журналах PLoS (Public Library of Science) и в обобщающей статье в Science.

Муха цеце имеет ряд уникальных особенностей, за которые можно «зацепиться» при разработке мер борьбы с ней, особенно если анализ генома позволит разобраться в молекулярно-генетических основах этих необычных признаков.

В отличие от других кровососущих насекомых, не только самки, но и самцы Glossina питаются исключительно кровью млекопитающих. Если обычные мухи откладывают десятки и сотни яиц, то самки Glossina рожают одну крупную личинку, готовую к окукливанию. За свою долгую (по мушиным меркам) жизнь самка может успеть родить до 8–10 личинок; каждая беременность длится около 10 дней. Развиваясь в материнском организме, личинка питается молоком, которое вырабатывается в специальных молочных железах. Они развились в ходе эволюции из придаточных желез, которые есть и у самок обычных насекомых, но служат для более прозаических целей, таких как производство компонентов яйцевых оболочек.

Размер генома мухи цеце — 366 млн пар оснований, примерно вдвое больше, чем у дрозофилы. При этом порядок расположения генов в хромосомах у обеих мух имеет много общего. Различие в размерах генома обусловлено более длинными «бессмысленными» фрагментами (интронами и межгенными промежутками) у цеце по сравнению с дрозофилой. Мобильные элементы составляют 14% генома у цеце и только 3,8% у дрозофилы. Всё это, скорее всего, объясняется низкой плодовитостью и меньшей эффективной численностью популяции мухи цеце, что, в свою очередь, приводит к ослаблению очищающего отбора, удаляющего из генома «лишние» участки (см. статью M. Lynch, J. S. Conery, 2003. The Origins of Genome Complexity).

Как и подобает профессиональному кровососу, муха цеце располагает обширным репертуаром специализированных генов, которые работают в слюнных железах и кодируют белки, делающие кровососание более эффективным. Эти белки, в частности, не дают крови сворачиваться и подавляют иммунную реакцию жертвы. Набор таких белков у цеце значительно больше, чем у других кровососущих насекомых. Как выяснилось, у мух, зараженных трипаносомами, активность многих из этих генов в слюнных железах подавлена, тогда как экспрессия генов, связанных с реакцией на стресс и починкой поврежденных клеток, наоборот, повышена. По-видимому, трипаносомы повреждают слюнные железы и нарушают работу генов зараженной мухи, чтобы продлить кровососание и тем самым повысить вероятность собственного попадания в кровь млекопитающего.

У цеце обнаружился более обширный, чем у других насекомых, репертуар белков-аквапоринов, служащих для быстрой перекачки воды через клеточные мембраны. Аквапорины необходимы кровососущей мухе, во-первых, для откачки лишней воды из выпитой крови, во-вторых — для разбавления секрета молочных желез при производстве молока. Отключение генов аквапоринов приводит к более долгой беременности, то есть к задержке развития личинки, что отрицательно сказывается на плодовитости самок.

В геноме мухи цеце присутствует большой набор генов молочных белков, которые по своим свойствам и функциям очень похожи на молочные белки млекопитающих. Среди них есть, в частности, эмульгаторы жиров, источники аминокислот и переносчики фосфатной группы. Многие гены молочных белков сформировались у предков цеце путем дупликаций.

Авторы детально изучили регуляцию экспрессии генов молочных белков. Оказалось, что эти белки синтезируются исключительно в молочных железах, причем уровень производства тесно связан с фазой беременности: чем крупнее личинка, тем больше молочных белков производит самка. Нарушение синтеза молочных белков ведет либо к задержке развития личинки, либо к выкидышу, причем преждевременно рожденная личинка погибает. Авторам удалось идентифицировать регуляторный участок (энхансер) гена основного молочного белка (milk gland protein 1, mgp1), благодаря которому экспрессия гена осуществляется только в молочных железах, подстраиваясь под фазу репродуктивного цикла. Чтобы изучить свойства обнаруженного энхансера, исследователи соединяли его с геном LacZ и с геном зеленого флуоресцирующего белка, а полученные конструкции вставляли в геном дрозофилы. Эксперименты показали, что регуляторная последовательность мухи цеце обеспечивает экспрессию подконтрольного гена у дрозофилы только в придаточных железах (от которых произошли молочные железы цеце) и только у активно размножающихся самок. Таким образом, регуляторная система, контролирующая синтез молочных белков, оказалась эволюционно консервативной: мухи цеце не «изобрели» ее, а унаследовали от яйцекладущих предков. Авторам удалось также идентифицировать ген, кодирующий регуляторный белок (транскрипционный фактор), который взаимодействует с обнаруженным энхансером. Им оказался гомеобоксный ген Ladybird late (lbl). Искусственное снижение экспрессии lbl приводит к уменьшению производства молочных белков, что отрицательно сказывается на плодовитости самок цеце. Таким образом, lbl — удобная «мишень» для разработки новых средств контроля численности Glossina.

Во время лактации на гены 12 важнейших молочных белков приходится половина всей транскрипционной активности в организме самки. Массированный синтез белка в период лактации создает угрозу окислительного стресса, с которым беременная муха справляется, увеличивая производство специальных антиоксидантных ферментов (см. antioxidant enzymes). Отключение генов этих ферментов приводит к тому, что с каждой беременностью плодовитость самки быстро снижается, тогда как в норме она не проявляет признаков репродуктивного старения вплоть до рождения 8–10 потомков. Таким образом, гены антиоксидантных ферментов — еще одно специфическое «уязвимое место» мухи цеце.

Репертуар генов, ответственных за метаболизм углеводов, у цеце оказался резко сокращен по сравнению с другими мухами, что напрямую связано с ее кровяной диетой. Содержание сахаров и гликогена в тканях Glossina крайне низкое. Более того, среди вкусовых рецепторов мухи цеце даже не нашлось рецепторов сладкого вкуса (которые, конечно, есть у всех нормальных насекомых, не брезгующих углеводной пищей). В наборе белков, связанных с обменом веществ, у мухи цеце обнаружен ряд общих черт с другими кровососами.

Как и множество других насекомых со специализированной диетой, цеце восполняет нехватку необходимых питательных веществ и витаминов благодаря сотрудничеству с симбиотическими бактериями, передающимися по наследству от матери к детям. Важнейший симбионт цеце — бактерия Wigglesworthia, населяющая клетки специального органа — бактериома и протоки молочных желез. Без этого симбионта большинство беременностей заканчивается выкидышем, то есть плодовитость самок резко снижается. Геном Wigglesworthia содержит гены, необходимые для синтеза витаминов группы B, тогда как у Glossina есть только гены, необходимые для их транспортировки. Очевидно, симбионт обеспечивает хозяина витаминами.

Еще один симбионт мухи цеце, наследуемый по материнской линии, — бактерия Wolbachia, живущая в основном в половых железах. Она вызывает у мух так называемую цитоплазматическую несовместимость (см. Cytoplasmic incompatibility), то есть гибель потомства от скрещивания зараженного самца с незараженной самкой. Таким способом бактерия снижает плодовитость незараженных самок, что косвенно дает репродуктивное преимущество зараженным самкам, которые передают вольбахию своему потомству. Это — адаптация бактерии, способствующая ее ускоренному распространению в популяции хозяев.

Авторы обнаружили в геноме цеце три встроенных фрагмента генома вольбахии. Бактериальные вставки не транскрибируются, но могут играть какую-то роль в генной регуляции: этот вопрос требует отдельного изучения. Кроме того, в геноме мухи цеце нашлись встроенные вирусные гены, характерные для браковирусов наездников-браконид. Скорее всего, это значит, что на мухах цеце паразитируют (или раньше паразитировали) какие-то неизвестные наездники. Этот факт открывает еще одно возможное направление для разработки «биологического оружия» против переносчика сонной болезни.

Третий симбионт мухи цеце, бактерия Sodalis, встречается во всех тканях мухи, а также в пищеварительном тракте. Эти симбионты интересны тем, что они, по-видимому, влияют на вероятность заражения мухи трипаносомами. Бактерии Sodalis вырабатывают фермент хитиназу, который нарушает целостность перитрофической мембраны, что способствует проникновению трипаносом из выпитой крови в ткани насекомого. Авторы отмечают, что одним из способов борьбы с трипаносомозами может быть генетическая модификация бактерий Sodalis. Например, если лишить симбионтов способности производить хитиназу, зараженность мух трипаносомами должна снизиться. Более того, в геном Sodalis можно вставлять гены защитных белков (например, антител), которые будут избирательно атаковать трипаносом в кишечнике мухи (см.: 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).

Репертуар генов иммунной защиты у мухи цеце оказался сильно обедненным по сравнению с дрозофилой. Это может объясняться, во-первых, меньшим количеством патогенных микробов в крови млекопитающих по сравнению с пищей дрозофилы (гниющими плодами), во-вторых, необходимостью сохранить в целости жизненно важного симбионта Wigglesworthia. Для других насекомых с облигатными бактериальными симбионтами (например, тлей) тоже характерен бедный репертуар антибактериальных белков.

Авторы составили подробный перечень рецепторных белков мухи цеце. Точные данные о том, какие запахи, вкусы и цвета воспринимает муха, должны помочь в разработке всевозможных приманок и ловушек. Оказалось, что у цеце меньше обонятельных рецепторов, чем у других насекомых с прочтенными геномами (дрозофил, комаров, пчел). Это логично, учитывая строгие пищевые предпочтения мухи цеце и узкий круг хозяев, чьей кровью она может питаться. Правда, один обонятельный рецептор дрозофилы, работа которого связана с выбором самкой полового партнера, оказался представлен у Glossina целыми шестью паралогами. Значит ли это, что самки цеце отличаются повышенной привередливостью при выборе партнера? Это было бы логично, учитывая огромный материнский вклад в потомство.

Подобно другим быстро летающим двукрылым, муха цеце, судя по геному, обладает превосходным зрением, адаптированным для эффективного поиска добычи (а у самцов — еще и для поиска самок). Цветное зрение основано на четырех светочувствительных белках — опсинах, один из которых настроен на синий свет. Это согласуется с тем, что мух цеце привлекает все синее (обстоятельство, важное для разработки ловушек).

Таким образом, уже самый первый, поверхностный анализ генома мухи цеце позволил выявить целый ряд «уязвимых мест» в биологии вредоносного насекомого. Будем надеяться, что эти знания помогут, во-первых, окончательно победить сонную болезнь, во-вторых, справиться с трипаносомозами животных, что должно радикально улучшить перспективы экономического и социального развития стран тропической Африки. Правда, опыт борьбы с малярией и другими опасными заболеваниями, которые переносятся насекомыми, показывает, что на быстрый успех вряд ли стоит рассчитывать: прочтение генома переносчика (и, конечно, самого возбудителя: геном Trypanosoma brucei был прочтен еще в 2005 году) — это лишь необходимый первый шаг. Путь от геномных данных к эффективным средствам контроля численности насекомых, к сожалению, долог и труден.

Источники:

1) 11 статей, посвященных анализу генома мухи цеце, Tsetse Genome Biology Collection, в журналах серии PLoS (Public Library of Science).

2) Обобщающая статья 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.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru