21.11.2014

Переносчиков желтой лихорадки стал привлекать запах человека из-за изменений в одном гене

Ученые исследовали поведение и генетические различия двух форм комаров Aedes aegypti, одна из которых селится в лесу, а другая — ближе к человеку. «Домашние» комары предпочитают кусать людей, их привлекает запах человеческого тела. Как выяснилось, смена хозяев для этих комаров определяется 14 генами. Два из них — это гены запаховых рецепторов, уровень их экспрессии резко отличается у самок комаров, выбирающих человека, а не других животных. Адаптация комаров к новым антропогенным условиям произошла быстро и потребовала совсем небольших изменений, а пищевые предпочтения комаров изменились и вовсе из-за единичных генов. Этот вид, и в особенности его «домашняя» форма, является переносчиком многих опасных заболеваний, среди которых желтая лихорадка и лихорадка денге. В связи с этим информация о генах, которые контролируют привлекательность того или иного хозяина, служит основой для выбора и изготовления наилучших репеллентов.

Человеческие поселения изменяют природные ландшафты, а в последнее тысячелетие эти изменения стали глобальными и крупномасштабными. В результате животный и растительный мир планеты преображается — многие виды вымирают, сменяются доминанты, определяющие «физиономию» природы, а некоторые виды осваивают новые антропогенные ниши. У этих последних перспективы (по крайней мере, краткосрочные) наиболее благоприятные. Человек распространяет сопутствующие ему виды очень быстро и чрезвычайно широко, а его местообитания стабильны. Поэтому антропофилы, приспособившиеся к человеческому присутствию, получают все биологические выгоды.

Среди таких впередсмотрящих много видов насекомых: муравьи, тараканы, сельскохозяйственные вредители и кровососущие насекомые. Из примерно 10 тысяч кровососущих насекомых около сотни приспособились к человеку. Их изучение дает двойной результат. Во-первых, это модель стремительной эволюции, идущей здесь и сейчас; при желании можно проследить весь ее извилистый генетический маршрут. Во-вторых, кровососущие насекомые являются переносчиками опасных заболеваний. Как двукрылые из безобидных для человека созданий превратились в переносчиков инфекций? Ответ на этот вопрос позволяет найти эффективную защиту от паразитов.

Специалисты из Рокфеллеровского университета, Медицинского института Говарда Хьюза (оба — США), Кенийского медицинского исследовательского института и Шведского сельскохозяйственного университета разобрались в генетике одного из таких антропофильных видов — комара Aedes aegypti, который переносит желтую лихорадку, лихорадки денге и чикунгунья. Им удалось выявить те гены, которые превратили этих комаров в антропофилов.

Желтолихорадочный комар Aedes aegypti имеет две морфологические формы, которые различаются по окраске: более темные A. aegipti formosus (Aaf) и более светлые, сероватые A. aegipti aegipti (Aaa). Они также различаются по узорам и пятнышкам на грудной и брюшной частях тела (рис. 1). Комары Aaf предпочитают селиться в лесу, там самки откладывают яйца в застойные лужи и водосборники, сосут кровь у диких животных, в человеческие жилища не залетают. Комары формы Aaa встречаются вблизи человеческих жилищ, откладывают яйца в бочки для воды и сливные канавы, их личинки приспособлены к выживанию в олиготрофной среде, но главное — самки комаров свободно залетают в жилища человека и питаются человеческой кровью. Эти два подвида в природных условиях практически не скрещиваются, но в лаборатории скрещиваются и дают устойчивое плодовитое потомство. Поведенческие особенности этих двух подвидов не точно соответствуют внешним различиям в окраске — тут есть известная доля изменчивости.

В предыдущих исследованиях было показано, что «домашняя» форма Aaa берет начало от лесной Aaf. «Домашняя» форма при прочих равных оказывается более эффективным переносчиком вирусной инфекции, чем лесная. Это в свою очередь свидетельствует о тройственной коэволюции в системе «вирус–комар–человек».

Ученые собрали материал в восточной Кении, в районе Рабаи (Rabai): в этом месте «домашние» и лесные комары обитают в сотне метров друг от друга, но не скрещиваются (рис. 2). Живых комаров — и лесных, и домашних (собранных в хозяйственных водосборниках) — отправили в лабораторию, сформировав около 50 лабораторных линий. В каждой из линий комары развивались в течение двух десятков поколений. Таким образом, появилась возможность изучить поведение и генетическую изменчивость домашних и лесных линий и на ее основе определить специфические гены, контролирующие комариную привязанность к людям.

В поведенческих экспериментах (рис. 3) было показано, что комары двух форм предпочитают кусать разных теплокровных. Так, большая часть самок лесных комаров кусала предъявленных в экспериментах животных (морских свинок), и лишь некоторые кусали человека. Домашняя форма охотнее кусала людей, но и морскими свинками не брезговала. Но вот если предъявить комарихе не самого животного или человека, а только его запах, то различия в предпочтениях становятся гораздо четче. Очевидно, что форма Aaa выработала способность определять присутствие именно человека как наиболее вероятного источника крови. Лесная форма Aaf реагирует на более привычный для них запах животного, ведь эти комары приспосабливались к своему образу жизни миллионы лет.

Если лесная форма вырабатывала реакцию на запаховые сигналы в течение всей своей долгой эволюции, то домашняя форма имела для этого совсем мало времени. Тем не менее этот признак — реакция на определенный запах — у нее сформировался. За запаховые предпочтения отвечают ольфакторные гены, экспресcируемые в антеннах. Нет ничего удивительного, что именно среди них нашлись гены, различные у домашней и лесной форм. Процесс выявления этих генов был надежным, но весьма трудоемким. Сначала получили гибридов домашних и лесных комаров, их скрестили между собой, получив гибридов второго поколения, переведя гены в гомозиготное состояние. Затем в поведенческих тестах отобрали тех самок комаров, которые предпочитали только морских свинок или только человека, и уже у них проверили экспрессию генов. По разнице в экспрессии определили гены, которые связаны с тем или иным предпочтением: их оказалось всего 14. Из них два — это гены рецепторов запаха.

Один из этих двух генов особенно примечателен. Он отвечает за формирование рецептора к одному из самых известных компонентов запаха человека — флавоноиду салкатону. Кстати, именно на присутствие салкатона реагируют и постельные клопы, этот запах направляет клопов к своей спящей жертве (V. Harraca et al., 2011. Smelling your way to food: can bed bugs use our odour?). Ген рецептора салкатона имеет семь аллельных вариантов. У лесной предковой формы имеются все семь в примерно равных долях. А вот у домашней формы доминируют только три варианта. По-видимому, в новых условиях важно было увеличить чувствительность к человеческому запаху, поэтому преимущество получили те комары, у которых рецепторы этого запаха были лучше настроены и экспрессировались наиболее эффективно.

Этот пример показывает, что изменение одного гена, будь то мутации или резкий сдвиг в частоте аллелей, может переориентировать поведение. Действительно, запаховые предпочтения в данном случае привели к смене хозяина для комаров. Другие изменения — в окраске, в продолжительности развития личинок и яиц, в выборе места для откладки яиц — могли происходить связанно или параллельно с эволюцией запаховых рецепторов. Так или иначе, мы видим, что адаптация к новому хозяину не занимает много времени и не требует длительной эволюции. Для этого достаточно совсем немногих изменений. При этом эволюция вирусных паразитов, носителями которых являются комары, происходит еще быстрее.

Источник: C. S. McBride, F. Baier, A. B. Omondi, S. A. Spitzer, J. Lutomiah, R. Sang, R. Ignell, L. B. Vosshall. Evolution of mosquito preference for humans linked to an odorant receptor // Nature. 2014. V. 515. P. 222–226.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru