научная статья по теме БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ WOLBACHIAPIPIENTIS - РАСКРЫТИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ Биология

Текст научной статьи на тему «БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ WOLBACHIAPIPIENTIS - РАСКРЫТИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ»

УДК 576.6:579.881

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ WOLBACHIA PIPIENTIS -РАСКРЫТИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ

© 2014 г. И. И. Горячева, Б. В. Андрианов

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Москва E-mail: iigoryacheva@mail.ru

Внутриклеточная альфа-протеобактерия Wolbachiapipientis инфицирует примерно 40% видов арт-ропод из всех основных систематических групп, а также нематод. Столь малая специфичность по отношению к хозяину, необычная для высокоспециализированных паразитов, к которым можно отнести Wolbachia, связана с адаптацией к существованию в клетках зародышевой плазмы, проявляющих минимальную эволюционную изменчивость у животных. Обладая аппаратом секреции четвертого типа, Wolbachia способна экспортировать белки и рибонуклеопротеиновые комплексы в цитоплазму клеток зародышевого пути организма-хозяина, что создает основу для вмешательства в самые ранние этапы онтогенеза. Различные штаммы Wolbachia вызывают у хозяев партеногенез, андроцид, феминизацию, цитоплазматическую несовместимость. Все эти эффекты повышают репродуктивный успех инфицированных самок и обеспечивают сохранение Wolbachia в популяциях хозяина. Генетический анализ симбиотической системы насекомое-Wolbachia позволил в последние годы перейти к разработке методов контроля численности насекомых и новых методов борьбы с трансмиссивными заболеваниями, передающимися насекомыми-переносчиками.

Ключевые слова: Wolbachia, репродуктивные паразиты членистоногих, партеногенез, андроцид, феминизация, цитоплазматическая несовместимость, клеточная культура.

ВВЕДЕНИЕ

Wolbachia pipientis - внутриклеточная наследуемая по материнской линии альфа-протеобак-терия - является репродуктивным паразитом членистоногих и нематод, инфицируя примерно 40% видов наземных членистоногих (Н^епЪоескег et а1., 2008; Zug, Натте^ет, 2012). Длительная совместная эволюция W. pipientis и организма хозяина привела к выработке разнообразных взаимных адаптаций, превративших в большинстве случаев паразитизм в мутуализм. Со стороны организма хозяина адаптации наиболее очевидно проявляются в модификации репродуктивной стратегии. Многочисленные изученные случаи цитоплазматической несовместимости, партеногенеза, андроцида и феминизации генетических самцов разных видов членистоногих под влиянием W. pipientis систематизированы в ряде обзоров (Горячева, 2004; Марков, Захаров, 2005; ^Ъггеп et а1., 2008; 8апёак1, Бош^, 2010). С небольшим числом видов насекомых Wolbachia образует облигатный симбиоз, комплементируя дефекты некоторых метаболических путей у этих видов (Бго'пНе et а1., 2009; Hosokawa et а1., 2010), или повышает плодовитость самок (Тоотеу et а1.,

2013). Способность подавлять репликацию ряда РНК-вирусов, вероятно, свойственна большинству, но не всем штаммам Wolbachia (Teixeira et al., 2008; Osborne et al., 2009; Hussain et al., 2013). Генетический контроль этого признака остается малоизученным, но представляет исключительный интерес для разработки методов борьбы с трансмиссивными инфекциями (Lu et al., 2012). Данный эффект не распространяется на ДНК-содержащие бакуловирусы (Graham et al., 2012) и на бактерии (Rottschaefer, Lazzaro, 2012). В некоторых случаях Wolbachia подавляет патогенность паразитических грибов (Пантелеев и др., 2007). Со стороны Wolbachia адаптации состоят в изменении состава генов, уровня их экспрессии и спектра продуктов секреции. Этим изменениям способствует значительная пластичность генома W. pipientis, содержащего множество фагов, транспозонов, коротких повторов и подверженного рекомбинации (Klasson et al., 2009; Bordenstein et al., 2004; Wu et al., 2004; Verne et al., 2007). Каким образом осуществляется рекомбинация у внутриклеточного микроорганизма, передающегося почти исключительно вертикально, остается неизвестным. Но сам факт наличия рекомби-национной изменчивости различных штаммов

W. pipientis установлен точно (Baldo et al., 2006а). Геномная изменчивость W. pipientis контрастирует с геномной стабильностью многих других внутриклеточных бактерий членистоногих. Так, облигантный внутриклеточный симбионт тлей Buchnera aphidicola по данным геномного анализа не приобрел и не потерял ни одного гена за последние 50-70 млн. лет эволюции (Tamas et al., 2002). Для Wolbachia не разработано методов генетической трансформации, поэтому прямое изучение функций отдельных генов невозможно. Тем не менее, сравнительный полногеномный анализ штаммов Wolbachia с различными свойствами позволяет получить информацию о генетическом контроле этих свойств (Woolfit et al., 2013). Такой анализ, а также анализ транскрипто-ма инфицированных и не инфицированных насекомых позволили выявить различные механизмы контроля генной экспрессии, ответственные за наблюдаемые биологические эффекты Wolbachia (Brennan et al., 2008; Pinto et al., 2013; Osei-Amo et al., 2012). Wolbachia способна инфицировать и культивироваться в пересеваемых клеточных культурах насекомых, что открывает дополнительные возможности для изучения интеграции геномов насекомого и Wolbachia (Xi et al., 2008; Hughes et al., 2011).

Целью данного обзора является обобщение данных геномного и транскриптомного исследований симбиотической системы Wolbachia - насекомое.

Классификация Wolbachia. Геном Wolbachia

Вариабельный вид Wolbachia pipientis образован множеством репродуктивно изолированных штаммов, объединяемых в супергруппы (Baldo et al., 2006b). Схема типирования штаммов Wolbachia на основе анализа изменчивости фрагментов пяти генов gatB, coxA, hcpA, fbpA и ftsZ получила название мультилокусного типи-рования или MLST. В дополнение к ней использовались данные анализа изменчивости четырех гипервариабельных фрагментов гена wsp (Baldo et al., 2006b). Позднее схема мультилокусного типирования штаммов Wolbachia была усовершенствована (Lo et al., 2007). Все известные штаммы Wolbachia были разделены на восемь супергрупп на основе анализа нуклеотидных последовательностей белок-кодируюших генов ftsZ, groEL, gltA и dnaA. Штаммы Wolbachia из австралийских пауков, объединенные в супергруппу G, первоначально были выделены в особую супергруппу на основании анализа изменчивости генов wsp и 16S рРНК (Rowley et al., 2004). Впоследствии

было показано, что супергруппа G возникла в результате рекомбинации штаммов из супергрупп А и В (Baldo, Werren, 2007). К настоящему времени число супергрупп Wolbachia достигло 13 (Ros et al., 2009; Augustinos et al., 2011). Большинство известных штаммов Wolbachia относится к супергруппам А и В. Эти штаммы инфицируют самые разные группы членистоногих, часто вызывая нарушение репродукции - цитоплазмати-ческую несовместимость, феминизацию и другие модификации репродуктивного поведения своих хозяев. Штаммы супергрупп С и D инфицируют нематод и никогда не вызывают модификаций репродуктивного поведения (Bandi et al., 1998). Наиболее сложная ситуация с супергруппой F. Wolbachia из этой супергруппы инфицирует как нематод, так и клопов, вшей, тараканов, мух и муравьиных львов (Casiraghi et al., 2005). Вероятно, супергруппу F можно считать искусственной, отражающей не монофилию образующих ее штаммов, а скорее события рекомбинации и горизонтального переноса фрагментов генома Wolbachia. Рекомбинация между штаммами Wolbachia, инфицирующими один вид, вполне возможна. Было зафиксировано перемещение фага между штаммами wVitA и wVitB, совместно инфицирующими Nasonia vitripennis (Kent et al., 2011). Огромное количество штаммов Wolbachia и их значительная изменчивость, связанная как с длительной репродуктивной изоляцией, так и с возможными событиями рекомбинации, неизбежно создают конфликты классификации при использовании любого из вариантов мультилокусного типирования (Augustinos et al., 2011). Упрощение процедуры секвенирования и сравнительно небольшой размер генома Wolbachia, вероятно, позволит избегать конфликтов классификации путем секвенирования всего генома штамма и проведения полногеномных сравнений (Woolfit et al., 2013).

Первым полностью прочитанным и аннотированным геномом Wolbachia является геном штамма wMel из Drosophila melanogaster (Wu et al., 2004), относящийся к супергруппе А по классификации штаммов Wolbachia (Lo et al., 2007). Штаммы Wolbachia из D. melanogaster охарактеризованы наиболее полно. Кроме штамма wMel получена нуклеотидная последовательность предкового по отношению к нему штамма wMelCS и уникального патогенного штамма wMelPop, а также ряда их производных из клеточных культур и комаров Aedes aegypti (Woolfit et al., 2013). К настоящему моменту определена нуклеотидная последовательность и проаннотировано еще три полных генома Wolbachia: штамм wRi из Drosophila

simulans (Klasson et al., 2009) из супергруппы A, штамм wPip из Culex quinquefasciatus Pel (Klasson et al., 2008) из супергруппы B, и штамм wBm из нематоды Brugia malayi (Foster et al., 2005), относящийся к супергруппе D. В разной степени готовности находятся проекты геномного секвениро-вания еще девяти штаммов Wolbachia из Glossina morsitans morsitans, Culex quinquefasciatus, Nasonia vitripennis, Muscidifurax uniraptor, Culex pipiens molestus, Drosophila simulans, Drosophila willistoni, Drosophila ananassae, Diaphorina citri. Полная нуклеотидная последовательность без полного аннотирования опубликована для Wolbachia из Nasonia vitripennis (штамм wVitB) из супергруппы А (Kent et al., 2011) и для Wolbachia из Culex quinquefasciatus (штамм wPip) из супергруппы В (Salzberg et al., 2009).

Сравнительная геномика штаммов Wolbachia

Полногеномные сравнения штаммов Wolbachia с различными свойствами в настоящее время являются основным методом генетического анализа Wolbachia. Наибольший интерес и практическую важность имеют исследования сравнительной геномики штаммов Wolbachia, инфицирующих Drosophila melanogaster. Эти исследования касаются как генетического контроля цитоплаз-матической несовместимости, так и патогенных свойств Wolbachia, представляющих интерес для практики.

D. melanogaster инфицирована тремя штаммами Wolbachia. Все три штамма имеют монофиле-тическое происхождение и инфицируют 63% линий мух этого вида, выловленных в природных популяция

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»