УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 3, с. 246-259
УДК 576.6:579.881
БАКТЕРИИ РОДА Wolbachia -РЕПРОДУКТИВНЫЕ ПАРАЗИТЫ ЧЛЕНИСТОНОГИХ
© 2004 г. И. И. Горячева
Институт общей генетики им. НИ. Вавилова РАН, Москва
Рассмотрена внутриклеточная симбиотическая а-протеобактерия Wolbachia р1р1еп|18, вызывающая у членистоногих цитоплазматическую несовместимость, феминизацию, партеногенез и андроцид.
Исследование коэволюции паразитов и их хозяев - актуальная проблема современной биологической науки, важная для формирования правильных представлений о путях и основных направлениях развития органического мира и охватывающая исследование эффектов внутриклеточных симбионтов и паразитов, влияющих на репродукцию животных. Особенно интенсивно исследуются членистоногие, у которых описаны различные отклонения от нормального полового размножения, детерминированные про- и эукарио-тическими микроорганизмами. Среди симбион-тов-прокариот наибольшее внимание привлекает бактерия рода Wolbachia, вызывающая все четыре известных на сегодняшний день модификации полового размножения, возникающие под влиянием микроорганизмов (цитоплазматическую несовместимость, феминизацию, партеногенез и андроцид). Именно вольбахия, манипулирующая размножением хозяина, в наибольшей степени оправдывает нередко употребляемое название "репродуктивный паразит".
Об этой внутриклеточной бактерии впервые сообщили в 1924 году Хертиг и Вольбах [25] как о новой риккетсии, найденной в яичниках комаров Culex pipiens. В 1936 г. Хертиг назвал риккетсию Wolbachia в честь своего коллеги Вольбаха. В 1971 году Йенсен и Барр обнаружили, что Wolbachia вызывает несовместимость в скрещиваниях между инфицированными самцами и неинфици-рованными самками Culex pipiens [120]. Эти же авторы предложили современное видовое название микроорганизма - Wolbachia pipientis. Интерес к бактерии необычайно возрос, когда стало понятно, что ее эффекты не ограничены несовместимостью, как единственной модификацией репродукции, и комарами, как единственными хозяевами. Особенно быстро сведения о Wolbachia пополнились после освоения метода полимераз-ной цепной реакции (ПЦР), применение которого позволило провести обследование большого числа видов беспозвоночных. Вольбахия была найдена у членистоногих и паразитических нематод. По оценкам специалистов бактерия инфицирует
не менее 16% неотропических видов насекомых [118], в том числе 50% индонезийских видов муравьев [115]; она обнаружена у 7 из 42 тестированных видов паутинных клещей [21] и 4 из 7 видов хищных клещей [12], а также у 35% исследованных видов ракообразных [9].
Широкое распространение вольбахии и многообразие вызываемых ею фенотипических эффектов сделало бактерию в последнее десятилетие одним из наиболее популярных объектов исследования генетиков, молекулярных биологов и специалистов в области популяционной биологии и генетики развития членистоногих.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Морфологическое описание Wolbachia pipientis (Rickettsiales: Rickettsiaceae: Wolbachieae: Wolbachia) с основными признаками риккетсия-подоб-ных организмов дано в работе [24]. Вольбахия -грамотрицательная неподвижная бактерия. Ее клетки диморфны; это либо очень мелкие (диаметр 0.25-0.5 мкм) или крупные (диаметр 1-1.8 мкм) кок-коидные или неправильные палочковидные формы (длина 0.5-1.3 м). Представляется, что уровень плейоморфности бактерий повышается одновременно с увеличением возраста клетки [99]. В клетке вольбахия находится в цитоплазматичес-ких пузырьках и часто окружена множественными мембранами, необходимыми для осуществления контроля хозяина над симбионтом [99]. Бактерия размножается делением. Она была культивирована in vitro в культуре клеток насекомых и млекопитающих [75].
W. pipientis найдена в цитоплазме клеток репродуктивных органов, мальпигиевых сосудов, мышечных, нервных тканей и гемоцитов артро-под [24, 88]. Особенно велика численность бактерий в яичниках и семенниках. В яичниках наиболее инфицированными оказываются питающие клетки, в которых микроорганизм размножается. Содержимое питающих клеток используется для развитие яиц, в которые бактерия попадает через цитоплазматические мостики. В яйце Wolbachia
связана с микротрубочками. Предположительно, цитоплазматическая несовместимость и партеногенез могут быть следствием изменений именно в этих структурах клетки.
Микроорганизм инфицирует у одних видов только самок, у других - особей обоих полов, причем численность его в одном хозяине значительно различается у разных видов. В зараженных самках Armadillidium vulgare находится 66000164000 бактерий [88], в яйцах мелкой паразитической осы рода Trichogramma - 250-670 бактерий, в яйцах разных видов Drosophila по разным данным 2600-18000 до 500000 бактерий, численность бактериальных клеток в инфицированных самцах этого вида оценивается как 36.5 х 106 [10, 18].
РАЗМЕР ГЕНОМА И ФИЛОГЕНИЯ W. pipientis
W. pipientis относится к группе а-протеобакте-рий и наиболее близка Rickettsia-подобным бактериям Cowdria и Anaplasma - патогенам млекопитающих, переносимым членистоногими [76, 100].
Облигатный внутриклеточный паразитизм накладывает определенные ограничения на длину молекулы ДНК бактерии, и поэтому размер генома вольбахии (0.95-1.66 Мв [105]) примерно равен размеру генома других внутриклеточных прокариот порядка Rickettsiales, например Rickettsia provazekii (1.11Мв) или Rickettsia conori (1.26 Мв), и меньше генома свободноживущих бактерий, например Echerichia coli. (4.7 Мв).
Филогенетические связи внутри группы Wol-bachia описывались на основании данных о структуре нескольких генов: 16S рРНК [76], ftsZ (ген клеточного деления) [119], groEl (бактериальный белок теплового шока) [70] и wsp (белок оболочки вольбахии) [123], наиболее широко используемого в настоящее время в филогенетических исследованиях.
Клада, образованная штаммами одного единственного вида - Wolbachia pipientis, распадается на шесть групп A-F, выделенных на основании анализа последовательностей нуклеотидов гена ftsZ и гена 16S рРНК [64, 108, 118]. В группы A и B попадает Wolbachia, обнаруженная у клещей, насекомых и ракообразных. Группы C и D сформированы бактериями, инфицирующими фила-рий - паразитических нематод - возбудителей тропического филариоза. К группе E относится одна единственная вольбахия, найденная у кол-лемболы Folsomia candida [107, 108]. Группа F образована бактериями-симбионтами термитов и возможно жуков и филариальных нематод [64]. Вольбахия из групп A, B, E вызывает нарушения репродукции членистоногих, вольбахия групп C, D является облигатным мутуалистическим сим-
бионтом нематод, эффекты бактерий группы Б не известны.
Дивергенции групп А-В и С-Б произошли приблизительно 100 млн. лет назад [118]. Нематоды и артроподы разделились более 600 млн. лет назад. Это позволяет предположить, что около 100 млн. лет назад либо имела место горизонтальная передача бактерии между этими группами, либо те и другие получили Woibachia от какого-то третьего организма [5]. Маловероятно, что вольбахия появилась в это время от свободноживущей формы, поскольку группа бактерий, к которой она относится, приобрела способность к внутриклеточному существованию более 100 млн. лет назад. Время дивергенции групп А и В оценивается в 60 млн. лет. Возможно, между группами А и В происходила рекомбинация, в результате которой появилась А-подобная линия, вызывающая феминизацию ракообразных [118]. Данных о времени дивергенции групп Е и Б не опубликовано.
Результаты филогенетических исследований (прежде всего, отсутствие параллелизма между филогенией хозяина и симбионта) свидетельствуют об интенсивном межвидовом горизонтальном переносе Wolbachia, произошедшем в последние 0-2.5 млн. лет, однако, сведения о способах и направлениях такого переноса до сих пор остаются весьма отрывочными (рис. 1). Известно, что Wol-ЬасЫа может быть перенесена естественным путем паразитической осе ЬерШрШпа Ьои1агШ от ее хозяина БггеорЫк 8ти1аш [23]. Горизонтальный перенос бактерии у мокриц возможен при контакте гемолимфы зараженных и незараженных особей [87]. Теоретически механизмы и направления переноса могут изучаться у насекомых в системах паразит - хозяин, в которых оба участника являются носителями филогенетически близких или даже идентичных штаммов бактерии, например, у паразитических ос рода №8ота и их хозяина - мухи Sarcophaga [118], у паразитических ос рода Trichogramma и их хозяина - моли Ephestia kuehniella [110]. Однако на практике эта задача оказывается трудновыполнимой, поскольку горизонтальный перенос бактерии - достаточно редкое явление, которое сложно зафиксировать в режиме реального времени.
ПРОБЛЕМЫ НОМЕНКЛАТУРЫ
На сегодняшний день не существует официальной номенклатуры для различных линий Wol-Ьа^а. Предложены системы, адаптированные для обозначения некоторых широко изучаемых штаммов. Для наименования линий бактерий, вызывающих цитоплазматическую несовместимость у дрозофилид, используется первая буква от наименования Wolbachia - за которой следуют несколько первых букв названия местности, в которой были собраны насекомые. Например,
Teleogryllus taiwanemma
- Callosobruchus chinensis (JC) Bactocera cucurbitae L Bactocera sp.l
I- Trichogramma deion
'— Trichogramma kaykai (LCI10) — Acraea encedon dryinid wasp -Franklinothrips vespiformis
- Bactocera sp.l dryinid wasp
- Laodelphax stritellus Coleomegella maculata lengi
— Torymus bedeguaris Tribolium confusum
Apoanagyrus diversicornis
- Perithemis tenera -Adalia bipunctata (A)
Phtebotomus perniciosus — Ostrinia furnacalis
— Solenopsis invicta
L- Acraea eponina
Cadra cautella Tagosedes orizicolus
Culex quinquefasciatus Acraea althoffi
Armadillidium vulgare
T ■f.
■Г
Armadillidium vulgare ( Portugal) ,- Oniscus asellus
Porcellio scaber Drosophila melanogaster (CantonS) - Drosophila sechellia
Рис. 1. Филогенетическое дерево Б-подгруппы Wolbachia, построенное на основании данных о последовательностях гена wsp по методу максимального подобия с использованием программы PAUP; внешняя группа представлена Wolbachia из D. sechellia и D. melanoga
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.