ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2009, том 70, № 5, с. 438-447
УДК 575.224:616-006.2:595.773.4
ПОПУЛЯЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ DROSOPHILA MELANOGASTER:
СХОДНЫЕ ЭФФЕКТЫ ЭНДОСИМБИОНТА WOLBACHIA И ОПУХОЛЕВОГО СУПРЕССОРА igt В УСЛОВИЯХ
ТЕМПЕРАТУРНОГО СТРЕССА
© 2009 г. Н. Я. Вайсман1, Ю. Ю. Илинский1, М. Д. Голубовский2' 3
1Институт цитологии и генетики СО РАН 630090 Новосибирск, просп. Ак. Лаврентьева, 10 2С.-Петербургский филиал Института истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН
199164 С.-Петербург, Университетская наб., 5 3Department of Molecular and Cell Biology, University of California-Berkeley Berkeley, California 94720, USA e-mail: weisman@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 30.08.2008 г.
Ранее мы установили распространенность в природных популяциях дрозофил делеционных аллелей опухолевого супрессора lgl и повышенную выживаемость потомства матерей-гетерозигот lgl(-)/+ в условиях стрессовых температур содержания (гаплоадаптивность). С другой стороны, недавно найдено, что дополнительная доза гена lgl у трансгенных самцов имеет инадаптивный эффект, вызывая цитоплазматическую несовместимость, сходную с действием эндосимбиотна Wolbachia, широко распространенного в природе. И в случае тройной дозы lgl, и при зараженности Wolbachia происходит гиперэкспрессия определенных белков цитоскелета, приводящая к дефектам спермиев и стерильности гибридных зигот. Исходя из этого сходства, провели систематическое по-пуляционно-генетическиое исследование влияния Wolbachia на продолжительность жизни (ПЖ) в зависимости от генотипа бактерии, линии-хозяина, пола животных и температуры содержания (всего 30 комбинаций опыта). Для шести зараженных Wolbachia линий из разных природных популяций с помощью тетрациклина получены их линии-аналоги, свободные от инфекции. При анализе ПЖ при оптимальной температуре содержания (25 оС) эти линии были подразделены на три генотипические группы, различные в отношении общей ПЖ, характера полового диморфизма и динамики смертности. В условиях температурного стресса (16 и 29 оС) ранги линий в отношении ПЖ в целом сохранились, однако различия между ними существенно сгладились. Иначе говоря, действие генов, которые регулируют параметры ПЖ, зависит от среды содержания. Установлены также резкие генетические различия по основным параметрам ПЖ между двумя стандартными лабораторными линиями Canton S(CS) и Oregon R(OR), взятыми в качестве контроля. Эти различия сохраняются при скрещиваниях. В зараженных линиях в семи вариантах опыта из 30 исследованных комбинаций или в 20% случаев обнаружено достоверное пол-специфичное влияние Wolbachia на ПЖ - в двух комбинациях при оптимуме содержания 25 оС и в пяти - при стрессовых температурах. При оптимуме содержания эндосимбионт в обоих случаях снижал ПЖ его носителей, однако при стрессовых температурах в четырех случаях из пяти эндосимбионт повышал ПЖ зараженных линий. Особо чувствительными к инфицированию оказались самки долгоживу-щей линии из горной популяции Киргизии Bi90 (wMel), у которых эндосимбионт повышал ПЖ и при холодовом, и при тепловом стрессе. Этот эффект сходен с действием на ПЖ понижения дозы онкосупрессора lgl. В обоих случаях наблюдается увеличение ПЖ лишь при температурном стрессе, и этот позитивный эффект пол-специфичен.
В природных популяциях дрозофил повсеместно обнаруживается наследуемая по материнской линии внутриклеточная бактерия ИЫЬаеЫа. Она широко распространена среди беспозвоночных, найдена у 15-20% видов насекомых и 35% исследованных наземных видов ракообразных, образует
эндосимбиотические ассоциации с клещами и нематодами (Rigaud, 1999; Горячева, 2004). Анализ на инфицированность В. melanogaster из разных районов Евразии не выявил ни одной популяции, свободной от бактерии, причем уровень инфици-рованности колебался между 15 и 100%. Обнару-
жены гетерогенные по генотипу эндосимбионта популяции, в которых чаще всего (до 99%) из известных пяти вариантов встречалась Wolbachia генотипа wMel (Илинский, Захаров, 2007, а, б).
В ряду поколений Wolbachia передается вертикально, от матери к потомству. Бактерия поражает репродуктивные ткани хозяина, вызывая разные аномалии воспроизведения - цитоплаз-матическую несовместимость, партеногенез, феминизацию генетических самцов, гибель самцов. В отличие от других видов, у D. melanogaster цитоплазматическая несовместимость выражена слабо, а все прочие упомянутые аномалии не встречаются вовсе. Широкое распространение и стабильное существование репродуктивного паразита бактерии Wolbachia в природных популяциях D. melanogaster и других видов остается загадкой. Это может быть связано, во-первых, с удачной репродуктивной стратегией этого вида-паразита - тропизмом не только к репродуктивным тканям, но и к нишам стволовых клеток разных соматических тканей (Frydman et al., 2006), и, во-вторых, с совершенно необычными для прокариот особенностями генома Wolbachia, в котором около 14% составляют повторы, инсерты и локусы-мишени рекомбинации (Brownlie, O'Neil, 2005). С другой стороны, получены отрывочные факты об улучшении ряда адаптивных свойств у инфицированных животных - плодовитости, эмбриональной выживаемости и продолжительности жизни (Fry, Rand, 2002; Fry et al., 2004; Montenegro et al., 2006; Александров и др., 2007).
Внутриклеточный симбионт Wolbachia способен оказывать влияние на экспрессию и активность белков хозяина, которые определяют характер деления стволовых клеток и в конечном счете выживаемость инфицированных животных. В серии экспериментов Кларка и др. (Clark et al., 2006) изучали причины цито плазматической несовместимости, возникающей при скрещивании зараженных самцов и незараженных самок. Было обнаружено, что инфицирование бактерией особей вида D. simulans приводит к увеличению экспрессии мРНК и белка гена zipper в семенниках зараженных самцов. Искусственная сверхэкспрессиия этого гена в семенниках трансгенных, свободных от эндосимбионта самцов D. melanogaster, вызывала появление ряда хромосомных нарушений и фенотипа, характерного для цитоплазматической несовместимости в системе Wolbachia-D. melanogaster.
Белок Zipper участвует в установлении клеточной полярности зародышевых стволовых клеток. В этом процессе Zipper функционально тесно связан с продуктом эволюционно консервативного опухолевого супрессора lethal (2) giant larvae (lgl),
белком Lgl, с которым он вступает в физическое взаимодействие (Strand et al., 1994; Peng et al., 2000). Оказалось, что самцы со сверхэкспрессией нормального аллеля lgl в семенниках тоже индуцируют фенотип цитоплазматической несовместимости и летальность яиц (Clark et al., 2006).
Неожиданное обнаружение молекулярного параллелизма в действии Wolbachia и опухолевого супрессора lgl совпадает и с параллелизмом на уровне генетики популяций. Многолетний генетический мониторинг природных популяций дрозофил позволил обнаружить, что летальные мутации онкосупрессора lgl распространены в высокой концентрации в генофондах географически удаленных природных популяций (Golubovsky, 1980). В условиях температурного стресса гете-розиготы c утратой одной дозы онкосупрессора lgl(-)/+ демонстрировали существенно повышенную эмбриональную выживаемость и продолжительность жизни (ПЖ). Устойчивость к стрессу особей-потомков lgl(-)/+ усиливалась гетерози-готностью материнского организма по типу цито-плазматической наследственности. На основании данных анализа эмбриональной и имагинальной выживаемости высказано предположение, что мутации онкосупрессора получили широкое распространение в природе благодаря большей приспособленности гетерозигот lgl(-)/+ по сравнению с нормальным генотипом +/+. Иными словами, в условиях стресса две нормальные дозы избыточны, а одна доза - оптимальна (Golubovsky et al., 2006).
Исходя из молекулярного сходства действия бактерии и гена lgl, возникает естественный вопрос, не будет ли в условиях температурного стресса зараженность бактерией также повышать адаптивность и в какой степени это возможное влияние зависит от генотипа линий. Никаких данных на этот счет в литературе нет. В настоящей работе были поставлены следующие задачи: 1) изучить полиморфизм ряда линий из природы по показателям ПЖ при оптимуме содержания и в условиях температурного стресса; 2) исследовать стресс-зависимое влияние на ПЖ зараженности разными генотипами Wolbachia у линий из природных популяций, генотипически различных по профилю ПЖ; 3) проанализировать сходство и различия в действии на ПЖ в условиях стресса уменьшения дозы гена lgl и инфицированности бактерией Wolbachia.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Линии D. melanogaster. В работе использованы инбредные линии из фонда лаборатории генетики популяций ИЦиГ СО РАН. Влияние Wolbachia на ПЖ исследовали у 6 пар линий, носителей бакте-
рий и их аналогов, свободных от бактерии после обработки тетрациклином. Линии получены из природных популяций: Бишкек, Кыргызстан 2004 (Bi90); Чемал, Алтай 2003 (335); Умань, Украина 2004 (U4); Тбилиси, Грузия 1989 (w18l); Гомель, Белоруссия 1980 (w75); Ташкент, Узбекистан 1989 (w153).
Для изучения влияния на ПЖ гетерозиготности по природному летальному аллелю онкосупрес-сора использовали линию lgl558/Cy и нормальную линию CS, широко используемую в исследованиях как стандарт дикого типа.
Выявление зараженных эндосимбионтом Wolbachia линий. Анализ линий на носительство симбионта проводили в порядке скрининга природных популяций на зараженность (Илинский, Захаров, 2007, а, б). В работе использовали 6 линий из удаленных природных популяций, инфицированных бактерией Wolbachia трех разных генотипов (таблица). Линии-аналоги, свободные от бактерии, получены путем обработки тетрациклином.
Инфицированность линий устанавливали амплификацией генов wsp и 16SrRNA. Путем ПЦР-анализа с использованием праймеров к генам wsp (Zhou et al., 1998) и 16S rRNA (O'Neill et al., 1992) устанавливали зараженность самок. В случае наличия ДНК Wolbachia в пробе генотип бактерии устанавливали по пяти генетическим признакам - кратности повторов двух мини-сателлитных мотивов VNTR-141 и VNTR-105;
вставки инсерционн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.