Вольбахия: описание, роль, влияние на хозяина

Вольбахия относится к роду грамотрицательных бактерий из семейства Anaplasmataceae. Эта бактерия паразит.

О вольбахии (bacterium Wolbachia) впервые стало известно в 1924 году, когда ученые обнаружили бактерию в теле самки комара. Но только спустя несколько десятилетий ее изучением занялись всерьез. Причиной такого внимания послужило новое открытие: выяснилось, что паразит Wolbachia способен вызывать различные патологические изменения в развитии и размножении насекомых. Бактерию обнаружили в клетках мух, жуков, бабочек, червей и других живых организмов.

Александр Марков,доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАНЧто нового в науке и технике №12, 2005

Вернулись времена царя Ирода. Таинственная эпидемия уносит жизни младенцев мужского пола. Уцелевшие мальчики на глазах матерей превращаются в девочек или в уродов-интерсексов. Девушки рожают без зачатия, а супружеские пары поражены бесплодием… Похоже на начало романа обезумевшего писателя-фантаста, не правда ли? Однако это не беллетристика, а реалистическая реконструкция событий, которые могли бы произойти, если бы человечество подхватило инфекцию, уже поразившую сотни тысяч видов животных.

Бактерия вольбахия впервые была обнаружена в яичниках обыкновенного комара (Culex pipiens) в 1924 году. Однако изучать ее всерьез стали лишь много десятилетий спустя, когда выяснилось, что именно она является причиной множества разнообразных патологий развития и размножения животных. Вольбахия обнаружена в клетках жуков, клопов, мух, ос, кузнечиков, бабочек, блох, пауков, клещей, ракообразных, червей… Круг известных хозяев вольбахии постоянно растет: сообщения о новых видах животных, ею зараженных, появляются еженедельно.

К счастью для нас, вольбахия за более чем 100 млн лет своего существования (именно так оценивают ее возраст специалисты) так и не сумела приспособиться к жизни в организме млекопитающих (хотя в лабораторных условиях она может жить в культуре человеческих клеток). К тому же ее методы воздействия, изначально ориентированные на насекомых, пауков и червей, едва ли оказались бы столь же действенными у млекопитающих, иммунная система которых гораздо более совершенна¹. С другой стороны, ближайшая родственница вольбахии, риккетсия (изначально паразит насекомых) уже освоила человека как среду обитания. Результат эпидемии сыпного тифа и так называемых пятнистых лихорадок.

Вольбахия никогда не действует так грубо. Она поступает со своими жертвами гораздо тоньше и изощреннее, умело манипулирует ими, преследуя свои корыстные цели. Вольбахия не может жить вне клеток хозяина и передается вертикально от матери к ее детям, проникая в яйцеклетки зараженных самок. Бактерии, попавшие в организм самца, обречены погибнуть вместе с ним, и не могут оставить потомства. Самцы для вольбахии ненужный балласт, и она избавляется от них, выборочно убивая зародышей мужского пола.

В конце 90-х годов российские ученые обнаружили, что в кладках, отложенных двухточечной божьей коровкой, личинки часто вылупляются только из половины яиц, причем все вылупившиеся насекомые самки. Оставшиеся яйца, содержащие бренные останки нерожденных божьих бычков, немедленно пожираются их сестрами. Доказано, что причина гибели мужских зародышей бактерия вольбахия, однако до сих пор не известно, как именно она их убивает и как отличает самцов от самок.

Иногда вольбахии удается извести всех самцов поголовно, и даже это не приводит к вымиранию хозяев, потому что самки, подчиняясь таинственным приказам вольбахии, начинают размножаться партеногенетически без оплодотворения (партеногенетический по-гречески означает деворожденный). Некоторые виды ос, у которых зараженность вольбахией носит поголовный характер, полностью утратили способность к нормальному половому размножению и не возвращаются к нему, даже если их вылечить тетрациклином.

Еще более изощренно поступает вольбахия с некоторыми наземными ракообразными мокрицами. Разновидность вольбахии, живущей в мокрицах, научилась превращать генетических самцов в самок. У мокриц мужского пола имеется особая железа, выделяющая андрогенный гормон. От наличия или отсутствия этого гормона зависит, по какому пути пойдет развитие зародыша мужскому или женскому. Вольбахия подавляет работу андрогенной железы на ранней стадии развития животного, в результате чего из зародыша с мужским набором хромосом развивается самка. Хромосомы у нее при этом остаются мужскими! Потомство ложной самки на 100% состоит из таких же ложных самок. Если молодую ложную самку накормить тетрациклином, она превращается в интерсекса животное со смесью мужских и женских черт. Если же вылечить взрослую ложную самку, она остается самкой, но начинает производить на свет исключительно одних самцов.

Ближайшие родственникиВся ближайшая родня вольбахии внутриклеточные паразиты, не способные долго жить вне клеток животного-хозяина. Кроме разнообразных риккетсий, вызывающих у человека сыпной тиф и пятнистую лихорадку, к этой группе бактерий (так называемым риккетсиевым) относятся анаплазма и эрлихия. Анаплазма возбудитель смертельного заболевания крупного рогатого скота анаплазматоза. Переносчики анаплазмы клещи. Эта бактерия живет в эритроцитах коров и вызывает тяжелую анемию, часто заканчивающуюся гибелью животного. Эрлихия тоже переносится клещами и вызывает опасные заболевания жвачных животных и собак: малокровие и сердечную водянку (отек перикарда). Многие риккетсиевые, как и вольбахия, используют T4SS (видоизмененный половой аппарат) для введения в клетки хозяина различных веществ регуляторов.

Многие разновидности вольбахии поступают еще хитрее. Бактерии выгодно, чтобы зараженные самки производили больше потомства, чем здоровые. Вольбахия научилась повышать плодовитость больных самок и делать практически бесплодными незараженных. Первая задача сравнительно проста, но как удается бактерии влиять на плодовитость тех самок, которые ею не заражены? Оказалось, что бактерия использует в качестве своего орудия зараженных самцов. Яйцеклетки здоровых самок, оплодотворенные спермой зараженного самца, погибают; однако тот же самец может успешно оплодотворить любую зараженную самку, и их потомство (естественно, тоже зараженное) будет вполне жизнеспособно.

Это явление, получившее название цитоплазматическая несовместимость² одна из самых интригующих загадок вольбахии. Какую удивительную манипуляцию проделывает этот микроб со сперматозоидами зараженного самца, что они становятся неспособны оплодотворить здоровую яйцеклетку, но полностью сохраняют способность к оплодотворению яйцеклеток зараженных? Сложность проблемы усугубляется еще и тем, что внутрь сперматозоида вольбахия проникнуть не может он для этого слишком мал.

Эта загадка пока не разгадана до конца, однако удалось установить, что цитоплазматическая несовместимость является результатом слаженных действий бактерий, находящихся в яйцеклетке, и тех, что живут в половых железах самца. Вольбахии, живущие в семенниках самца, вводят в созревающие сперматозоиды какое-то вещество (скорее всего, белок), которое прикрепляется к хромосомам сперматозоида и портит их. Одновременно оно служит своего рода меткой условным знаком для вольбахий яйцеклетки. Когда происходит слияние сперматозоида с яйцеклеткой (оплодотворение), метка нарушает поведение отцовских хромосом, не позволяет им объединиться с материнскими и начать слаженно делиться вместе с ними. Вскоре отцовские хромосомы разрушаются, что почти всегда приводит к гибели зародыша³. Так обстоит дело, если в яйцеклетке нет вольбахии. Если же она там есть, выделяемые ею белки устремляются на помощь обреченным отцовским хромосомам и спасают их от разрушения. Метка инактивируется или удаляется, поведение хромосом нормализуется, и из оплодотворенной яйцеклетки развивается вполне жизнеспособный зародыш (разумеется, зараженный вольбахией).

Самое удивительное, что вольбахии, находящиеся в яйцеклетке, за редкими исключениями спасают от разрушения только те хромосомы, которые были помечены той же самой разновидностью бактерии (а разновидностей вольбахии известно много сотен). Каким образом вольбахия отличает свою метку от чужих, остается загадкой. Однако эта разборчивость вольбахии, которую она проявляет в деле спасения мужских хромосом, имеет большое практическое значение. Благодаря ей вольбахия обрела способность управлять не только размножением и развитием своих хозяев, но даже их эволюцией!

Этот эффект, имеющий наиболее неожиданные и далеко идущие последствия и вызывающий у ученых, понимающих суть проблемы, чувство, близкое к мистическому ужасу, получил название инфекционного видообразования. Представим себе, что одна часть какого-то вида животных заразилась одной разновидностью вольбахии, а другая другой. Если обе разновидности бактерии вызывают цитоплазматическую несовместимость, это неизбежно приведет к тому, что данный вид окажется насильственно разделен на две половинки, не способные скрещиваться друг с другом. Фактически это означает разделение исходного вида на два. Свершится величайшее таинство эволюционного процесса акт видообразования. Свершится не по Божьей воле и не по законам классической эволюционной теории, не в результате естественного отбора, а по прихоти какой-то бактерии.

Друг нашего врага Утверждение о том, что вольбахия не может жить в организме человека и поэтому не опасна для нас, не совсем точно. Вольбахия не может жить непосредственно в клетках нашего тела, однако она обитает в клетках паразитических червей филярий, которые могут жить в тканях млекопитающих, в том числе человека. Филярии вызывают у людей ряд опасных заболеваний филяриатозов. Черви поражают подкожную клетчатку, внутренние органы (в том числе сердце), глаза. Некоторые филярии вызывают так называемую слоновость чрезмерное разрастание клетчатки, отчего рука или нога может непомерно раздуться. Некоторые особенности и симптомы филяриатозов определяются не самими червями-паразитами, а продуктами жизнедеятельности вольбахии, живущей в тканях червя. Переносчиком филярий являются насекомые. Не исключено, что именно от насекомых эти паразитические черви когда-то (около 100 млн лет назад) заразились вольбахией. Но отношения вольбахии с филяриями совершенно иные, чем с насекомыми. Между червем и бактерией установились полная любовь и взаимопонимание. Вольбахия стала полезным сожителем (симбионтом) филярий. Черви, вылеченные от вольбахии, сильно страдают: у них резко снижается плодовитость и растет смертность. Когда этот факт был обнаружен, ученые и медики преисполнились больших надежд. Может быть, удастся вылечить человека от филяриатоза, вылечив его филярий от вольбахии? Ведь извести вольбахию гораздо легче, чем самого червя (круглые черви, к которым относятся филярии, отличаются необыкновенной стойкостью ко всякой химии). К сожалению, эти надежды оправдались только частично. Уничтожение вольбахии тетрациклином действительно снижает число и плодовитость червей-паразитов, но все-таки не приводит к их полному истреблению.

Насколько реалистичен этот сценарий? Происходит ли инфекционное видообразование в природе и если да, то как часто? Неизвестно. Однако в Северной Америке уже обнаружены формы сверчков, не способные скрещиваться друг с другом, которые, однако, после курса лечения тетрациклином внезапно становятся вполне совместимыми и начинают давать живое и здоровое гибридное потомство…

Вольбахия привлекает самое пристальное внимание ученых всего мира. Ежегодно публикуются сотни научных статей, посвященных этой бактерии. Совершенно очевидно, что понимание механизма совершаемых ею манипуляций даст человеку в руки мощнейшие средства воздействия на природу. Дело затрудняется тем, что вольбахия не растет на искусственных средах, поэтому ее нельзя изучать обычными микробиологическими методами. Новая эпоха в изучении вольбахии началась в марте 2004 года, когда были опубликованы результаты расшифровки генома одной из ее разновидностей (к настоящему времени полностью расшифрованы геномы двух разновидностей вольбахии; геномы двух других прочтены частично). Анализируя последовательность нуклеотидов единственной молекулы ДНК вольбахии компьютерными (биоинформационными)методами, ученые надеются идентифицировать гены и белки, при помощи которых вольбахия манипулирует своими хозяевами.

Группа российских ученых под руководством профессора И. А. Захарова (Институт общей генетики РАН) вот уже несколько лет пытается разгадать тайну вольбахии. Согласно новейшим данным, в геноме вольбахии удалось выявить несколько десятков генов наиболее вероятных кандидатов на роль регуляторов жизнедеятельности хозяев.

По мнению ученых из группы И. А. Захарова, для окончательной разгадки всех тайн вольбахии потребуется еще несколько лет. Однако практическое использование промежуточных результатов исследований начинается уже сейчас. В частности разрабатываются методы использования вольбахии для регуляции численности и плодовитости насекомых: как вредных, так и полезных.

Мнимая польза Вольбахия заинтересована в том, чтобы зараженные ею самки производили как можно больше потомства, и она умеет добиваться этого. У многих видов насекомых, зараженных вольбахией, лечение тетрациклином приводит к снижению плодовитости самок. Кроме того, в ряде случаев зараженные вольбахией особи живут дольше, ведут себя активнее и в целом оказываются более жизнеспособными по сравнению с вылеченными. Значит ли это, что вольбахия может приносить не только вред, но и пользу? Едва ли. Негативные эффекты, проявляющиеся после излечения, обычно исчезают через поколения. Например, у мухи Drosophila simulans после излечения от вольбахии наблюдалось снижение плодовитости. Однако уже через три поколения вылеченные мухи производили столько же потомства, сколько и зараженные.Это наводит на мысль о том, что польза, приносимая вольбахией хозяину, может быть иллюзорной. Член-корреспондент РАН генетик И. А. Захаров совместно с автором этой заметки высказали предположение, что вольбахия способна вызывать нечто вроде наркотической зависимости или пользоваться приемом ядпротивоядие, распространенным у некоторых паразитов. Эти паразиты вырабатывают комплекс из двух веществ, одно из которых является ядом для хозяина, а другое противоядием, причем яд устойчив, а противоядие быстро разрушается в организме, и его запас должен постоянно возобновляться. В результате хозяин, которому удалось тем или иным способом освободиться от паразита, погибает. Хозяин становится сам заинтересован в том, чтобы любой ценой сохранить своего паразита.

¹ К числу утешительных фактов можно отнести и то, что любое животное, зараженное вольбахией, довольно легко вылечить вольбахия весьма чувствительна к антибиотикам, в особенности к тетрациклину.

² Название этому эффекту было дано еще до того, как было установлено, что его причиной является вольбахия. Было замечено, что некоторые самцы комаров репродуктивно несовместимы с некоторыми самками. Установили, что несовместимость наследуется по материнской линии; из этого сделали вывод, что фактор, определяющий это свойство, содержится не в хромосомах и не в ядре, а в цитоплазме (поскольку оплодотворенное яйцо получает ядра и хромосомы от обоих родителей, а цитоплазму почти исключительно от матери). Вольбахиевый бум в микробиологии начался после того, как обнаружилась связь цитоплазматической несовместимости с присутствием в яйце бактерии вольбахии.

³ Оплодотворенное яйцо, из которого развивается зародыш у большинства животных и растений, имеет двойной хромосомный набор, половина которого получена от матери, половина от отца. Неоплодотворенное яйцо, как и сперматозоид, имеет одинарный набор хромосом. Гибель отцовских хромосом в оплодотворенном яйце приводит к тому, что яйцо снова становится как бы неоплодотворенным. В большинстве случаев из такого яйца зародыш не развивается. Исключение составляют некоторые животные, например осы, пчелы и муравьи, у которых самцы (трутни) в норме развиваются из неоплодотворенных яиц. В этом случае усилия вольбахии приводят к несколько неожиданному результату: потомство не погибает, но оказывается на 100% мужского пола. Рост числа незараженных самцов, очевидно, невыгоден бактерии. Это один из немногих случаев, когда вольбахия недосмотрела.

Венера против Марса

Заражение вольбахией приводит к возникновению у ее хозяев ряда репродуктивных нарушений.

Цитоплазматическая несовместимость проявляется в гибели потомства от зараженного самца и незараженной вольбахией самки, а также от двух особей, зараженных разными штаммами бактерии. Этот наиболее широко распространенный вид репродуктивного нарушения обнаружен у большого количества насекомых, равноногих ракообразных и клещей. Процент смертности, происходящей на эмбриональной стадии, может варьироваться от 0 до 100 % от числа отложенных яиц.

Вызываемый вольбахией партеногенез (девственное размножение, т. е. без оплодотворения) описан для клещей, перепончатокрылых, трипсов и ногохвосток (Charlat et al., 2003). У этих членистоногих самки обычно развиваются из оплодотворенных яиц, несущих двойной набор хромосом, полученный от обоих родителей, а самцы из неоплодотворенных яиц с гаплоидным материнским набором хромосом. Однако в потомстве зараженных особей из неоплодотворенных яиц также развиваются самки.

Это происходит благодаря вмешательству вольбахии в процесс клеточного деления на ранних стадиях развития эмбрионов. В результате удвоения материнского набора хромосом в клетках эмбрионов потомство зараженных особей представлено исключительно женским полом.

У равноногих ракообразных и некоторых насекомых, зараженных вольбахией, был обнаружен еще более необычный феномен феминизация, превращение в самок генетических самцов с мужским набором хромосом (Werren et al., 2008). Это происходит благодаря тому, что в присутствии бактерий подавляется развитие так называемой андрогенной железы, которая вырабатывает мужской гормон, необходимый в норме для развития самцов.

В некоторых случаях вольбахия может также вызывать андроцид (гибель самцов) на ранних стадиях эмбрионального развития. Это явление описано у жуков, бабочек, дрозофил и лжескорпионов (Werren et al., 2008).

Все эти случаи вмешательства вольбахии в личную жизнь своих хозяев связаны с их статусом репродуктивного паразита. Цитоплазматическая несовместимость помогает снизить плодовитость незараженных самок, тем самым увеличивая в потомстве долю зараженных матерей. Это способствует распространению бактерий в популяции хозяина при сохранении соотношения самок и самцов. Партеногенез же, феминизация и андроцид приводят к нарушению этого соотношения, увеличивая в популяции долю самок, потомство которых будет заведомо заражено бактерией-манипулятором.

Макроэффекты микроорганизма

Помимо манипулирования размножением своих хозяев вольбахия может оказывать влияние на их общую приспособленность.

Так, присутствие этих бактерий в организме насекомых (комаров, дрозофил) приводит к повышению устойчивости последних к другим паразитам: возбудителю малярии (малярийному плазмодию), а также к различным вирусам (например, вирус Drosophila C). Кроме того, повышается устойчивость насекомых к вирусам, представляющим опасность для человека (вирусы лихорадки Денге, желтой лихорадки, лихорадки Западного Нила), для которых они служат переносчиками (Teixeira et al., 2008; Glaser, Meola, 2010; Van den Hurk et al., 2012; Chrostek et al., 2013).

Поскольку наиболее хорошо изученным объектом среди насекомых является дрозофила, именно она послужила моделью для ряда исследований, направленных на изучение процессов взаимодействия организма насекомого-хозяина с вольбахией.

В таких исследованиях было обнаружено, например, что вольбахия влияет на метаболизм железа, которое ее хозяин получает с пищей. При помещении дрозофил на корм с недостатком или избытком солей железа незараженные особи откладывали меньшее количество яиц по сравнению с зараженными (Brownlie et al., 2009; Kremer et al., 2009).

Одним из наиболее поразительных свойств этих внутриклеточных бактерий является их способность влиять на поведение своих хозяев. Так, для двух видов дрозофил (Drosophila melanogaster и Drosophila paulistorum) показано, что если самки и самцы будут заражены разными штаммами вольбахии, они будут избегать скрещивания, которое должно привести к цитоплазматической несовместимости (Koukou et al., 2006; Miller et al., 2010).

Это означает, что дрозофилы способны каким-то образом распознавать своих собратьев по вольбахии. Механизм этого явления пока неизвестен, но предполагается, что он связан с присутствием бактерий в клетках специфических отделов мозга хозяев, отвечающих за поведение, и в клетках жирового тела органа насекомых, принимающего участие в выработке феромонов (веществ внешней секреции, отвечающих за химическую коммуникацию внутри вида).

Исследования структурной организации и функции вольбахий в различных линиях дрозофил при нормальных и стрессовых условиях окружающей среды ведутся в течение ряда лет в новосибирском Институте цитологии и генетики СО РАН (Дудкина и др., 2004; Жукова и др., 2008). При этом особое внимание уделяется патогенному штамму wMelPop (от popcorn попкорн), который был назван так за его способность активно размножаться в клетках организма дрозофилы, заполняя собой все свободное пространство подобно попкорну в микроволновке (Min, Benzer, 1997). Эти бактерии снижают продолжительность жизни насекомых приблизительно в два раза уже при обычной (25 С) температуре, а при повышении температуры этот негативный эффект бактерий усиливается.

Исследование динамики заселения клеток мозга дрозофилы бактериями штамма wMelPop показало, что они попадают туда на ранних стадиях развития насекомого, т. е. во время эмбриогенеза. Однако активно делиться они начинают только во взрослом насекомом, постепенно разрушая его нервную систему, при этом скорость деления бактериальных клеток увеличивается с ростом температуры (Strunov et al., 2013).

Кстати сказать, патогенный штамм wMelPop оказывает негативное влияние и на размножение дрозофил, вызывая увеличение частоты программируемой клеточной гибели в формирующихся фолликулах яичников плодовой мушки (Zhukova, Kiseleva, 2012).

Желтолихорадочные кусаки

Каким же способом эти удивительные бактерии влияют на своих хозяев, вызывая такие разные последствия? Пролить свет на механизм этих взаимодействий позволили недавние исследования, проведенные на желтолихорадочных кусаках (Aedes aegypti) комарах, которые являются переносчиками ряда тяжелых заболеваний человека, включая желтую лихорадку и лихорадку Денге.

Эти насекомые были заражены в лабораторных условиях штаммом wMelPop, специфичным для дрозофил (McMeniman et al., 2009). Чтобы бактерии адаптировались к условиям жизни внутри нового хозяина, их предварительно содержали в течение 2,5 лет в культуре клеток бело-пестрых кусак, а затем еще около года в культуре клеток самих желтолихорадочных комаров (McMeniman et al., 2008).

Исследования показали, что присутствие бактерий в клетках комаров приводит к изменению в них уровня синтеза ряда микроРНК (Hussain et al., 2011; Zhang et al., 2013). Эти короткие одноцепочечные РНК длиной 1825 нуклеотидов не кодируют никаких белков, однако принимают участие в регуляции работы большого числа генов. Поэтому они играют важнейшую роль во многих процессах жизнедеятельности организма, включая иммунную защиту, программируемую клеточную гибель и т. д.

Оказалось, что в присутствии вольбахии увеличивается уровень синтеза микроРНК, которые участвуют в регуляции плотности распределения этих бактерий в тканях комаров. Эти же микроРНК повышают устойчивость комаров к вирусу лихорадки Денге (Hussain et al., 2011; Zhang et al., 2013).

Еще одно интересное открытие было сделано при изучении штамма вольбахии wPip, которым заражены комары-пискуны (Culex pipiens). В геноме этих бактерий был обнаружен регулятор транскрипции, влияющий на экспрессию гена хозяина, ответственного за проявление цитоплазматической несовместимости (Pinto et al., 2013).

Все эти данные свидетельствуют о том, что физиологические и поведенческие особенности зараженных бактериями насекомых, которые можно наблюдать в лабораторных условиях и в природе, обеспечиваются переплетением множества различных, генетически обусловленных механизмов взаимодействия двух кардинально различных (про- и эукариотических) организмов. И, конечно, эти непростые взаимодействия требуют дальнейшего глубокого изучения.

Биологическое оружие против лихорадки

Интенсивное исследование вольбахии за последние десятилетия принесло не только фундаментальные плоды: с их помощью удалось сделать значимые шаги в борьбе с заболеваниями животных и человека, которые переносятся насекомыми.

Оказалось, что в организме все тех же желтолихорадочных комаров, зараженных вольбахией штамма wMel, практически не размножается вирус лихорадки Денге; следовательно, комар перестает быть переносчиком этого опасного заболевания (Walker et al., 2011). Заметим, что ежегодно в мире лихорадкой Денге заболевает около 360 млн человек, профилактической же вакцины для этого заболевания до сих пор нет (Bhatt et al., 2013).

Первые полевые испытания нового биологического оружия против лихорадки Денге начали австралийские ученые под руководством профессора С. ОНейлла. В 2011 г. они выпустили в окрестностях г. Кэрнса желтолихорадочных комаров, инфицированных в лаборатории бактериями штамма wMel (Hoffmann et al., 2011). Сходные испытания были начаты в двух районах на островах Индонезии; подобная программа планируется и на о-ве Чи Нгуен (Вьетнам).

Предполагается, что численность комаров, зараженных вольбахией, должна расти, и они будут вытеснять из популяции незараженных особей за счет эффекта цитоплазматической несовместимости. Сегодня на экспериментальных территориях в Австралии сохраняется высокий уровень зараженности комаров. Однако, несмотря на достигнутые успехи, заключение об эффективности такого метода борьбы с опасным заболеванием можно будет сделать только через несколько лет, проанализировав динамику заболеваемости людей на этих территориях.

С открытием внутриклеточной бактерии вольбахии ученые получили уникальную модель, на которой можно исследовать взаимодействия между микроорганизмами и макроорганизмом-хозяином, а также взаимные адаптации, позволяющие столь разным существам успешно сосуществовать вместе. Практическое же применение знаний об этих многоликих бактериях делает возможным создание экологически чистых методов биологического контроля за популяциями беспозвоночных, являющихся переносчиками опасных для человека заболеваний или вредителями сельского хозяйства.

Исследования вольбахии также помогут пролить свет на ключевое макроэволюционное событие симбиотическое происхождение внутриклеточных органелл, в частности, митохондрий, с которыми эти бактерии имеют общего предка, другими словами, раскрыть тайну происхождения эукариотической клетки высших организмов, к которым относимся и мы с вами.

Литература:

Захаров И. А. Бактерии управляют половым размножением насекомых // Природа. 1999. № 5. С. 2834.

Серга С. В., Козерецкая И. А. Загадка распространения Wolbachia в природных популяциях Drosophila melanogaster // 2013. Т. 74, № 2. С. 99111.

McGraw E. A., ONeill S. L. Beyond insecticides: new thinking on an ancient problem // Nat. Rev. Microbiol. 2013. V. 11, № 3. P. 181193.

Veneti Z. L., Reuter M., Montenegro H., et al. Interactions between inherited bacteria and their hosts: the Wolbachia paradigm // The influence of cooperative bacteria on animal host biology / Ed. by M.J. McFall Ngai, B. Henderson, E.G. Ruby. C. U. P. 2005. P. 119142

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта Программы Президиума РАН Динамичность генофондов, генотипическая и фенотипическая изменчивость в популяции № 30.33.

Общая информация

Бактерия вольбахия обитает в клетках многих беспозвоночных. Роль ее вызывает немало споров: одни ученые считают ее вредным паразитом, другие склоняются к точке зрения, что бактерия не причиняет вреда и даже несет некоторую пользу хозяину. На самом деле имеют место быть все перечисленные варианты, поскольку с различными хозяевами у бактерии устанавливаются разные взаимоотношения.

Уникальность вольбахии состоит в том, что она вызывает самые разные эффекты. Она может никак не нарушить жизнедеятельность хозяина, но преимущественно ее заселение приводит к довольно плачевным результатам. Паразит Wolbachia умеет контролировать процессы размножения и развития своего хозяина.

Возраст бактерий рода вольбахии оценивается примерно в 100 миллионов лет, но за это время им так и не удалось приспособиться к организму млекопитающих. Предположительно, это происходит из-за того, что ее способы воздействия с самого начала ориентированы на беспозвоночных и недостаточно действенны для млекопитающих с более развитой иммунной системой. В то же время у вольбахии есть близкая родственница риккетсия, которая смогла поразить человека. Результатом стала инфекция под названием сыпной тиф.

Действие бактерии

Паразит не может существовать без хозяина, передается он матерью своему потомству посредством проникания в яйцеклетку инфицированной самки.

В 90-е годы отечественные биологи установили, что яйца божьей коровки Adalia bipunctata зачастую порождают самок, а виновником невыживаемости мужских зародышей является именно вольбахия. Механизм убийства мужских зародышей и то, как бактерия различает самцов и самок, до сих пор не установлены.

Помимо божьих коровок, жертвами андроцида (истребления самцов) становятся мухи, некоторые насекомые из отряда бабочек и муравьи. Этим может объясняться существенное преобладание самок в некоторых популяциях насекомых.

В отдельных случаях даже поголовное истребление самцов не способно привести к вымиранию животного, пораженного бактерией. Причина такого явления кроется в том, что самки начинают плодиться партеногенетическим способом, т. е. без оплодотворения. Отдельные виды ос, которым присуще массовое поражение вольбахией, совсем лишились навыка обычного размножения.

Еще интереснее вольбахия взаимодействует с некоторыми представителями подотряда мокриц. Бактерия обладает способностью трансформировать самцов в самок. У самцов есть специальная железа, которая выделяет андрогенный гормон. От него зависит, каким будет развитие зародыша по женскому типу или мужскому. Wolbachia угнетает деятельность этой железы на начальном этапе созревания членистоногого. В итоге из эмбриона с мужскими хромосомами получается самка.

Удивительный факт в данном случае наличие у самки мужского комплекта хромосом. Размножение ложных самок дает такое же ложное потомство. Если ложной самке дать тетрациклин, она станет интерсексом организмом с комбинированными свойствами (мужскими и женскими).

Итак, патогенность бактерий рода Wolbachia выражена в следующем:

• Андроцид. Истребление мужских эмбрионов (отдельных видов бабочек, мух и др.).
• Размножение партеногенетическим способом. Отклонение в созревании яиц приводит к поголовному рождению самок.
• Феминизация. Представляет собой процесс, при котором самцы превращаются в самок посредством угнетения андрогенной железы.
• Несовместимость цитоплазмы. Характеризуется стремительным вырождением эмбрионов, возникших при оплодотворении яйцеклетки пораженным самцом. Различают одностороннюю и двухстороннюю несовместимость. В первом случае скрещиваются больные самцы и здоровые самки, во втором инфицированы оба, при этом наступает абсолютная репродуктивная изолированность.

Положительное влияние на хозяина

Паразит уникален тем, что он может принести хозяину и пользу. После устранения заражения наблюдается уменьшение плодовитости и приспособляемости ряда насекомых к окружающим условиям.

Если рассматривать взаимосвязь Wolbachia и человека, то прямого влияния на него бактерия не оказывает. Вместе с тем выявлена косвенная связь. Дело в том, что бактерии рода Wolbachia необходимы для жизнедеятельности филярий, которые в свою очередь поражают человека. Это дает ученым возможность открыть метод излечения от филяриоза посредством уничтожения бактерии.

Влияние на эволюцию хозяина

Такие явления, как истребление bacterium Wolbachia мужских эмбрионов, партеногенез, феминизация и прочие, должны способствовать снижению обмена генетическим материалом между организмами. В результате этого должна снижаться приспособленность животных к изменяющимся условиям. В рамках эволюционного процесса это должно привести к снижению продолжительности существования вида и ускоренному обновлению видового состава.

Wolbachia представляет интерес не только как отдельный организм. Ее изучение позволяет осмыслить сущность развития симбиотических союзов, выявить связи между паразитом и хозяином, понять общие эволюционные закономерности. Исследование бактерий рода вольбахия необходимо для определения механизма происхождения эукариотов.