Российские ученые выяснили, как омолаживается бактерия-мужененавистница

Сотрудники Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта вместе с другими российскими коллегами провели генетический анализ бактерии-симбионта Wolbachia, которая препятствует рождению и развитию самцов у разных видов членистоногих. Оказалось, что эти микроорганизмы активно обмениваются генами для «омоложения». Результаты работы опубликованы в журнале Molecular Phylogenetics and Evolution.

Взаимоотношения между организмами разных видов очень отличаются друг от друга: одни конкурируют за ограниченные ресурсы, другие паразитируют на своих хозяевах. Отношения, при которых виды сожительствуют друг с другом, называются симбиозом, а его участники – симбионтами. Некоторые симбионты могут передаваться по наследству.

Самым распространенным симбионтом в биосфере считается бактерия Wolbachia. Она есть у многих членистоногих и некоторых круглых червей. Бактерия живет в репродуктивных тканях и передается по наследству по линии матери, проникая в яйцеклетки зараженных самок. Ученые считают, что Wolbachia сейчас находится на пути превращения в органеллу клетки.

Бактерия Wolbachia манипулирует репродукцией своего хозяина. Например, она может «запретить» зараженным самцам оплодотворять здоровых самок и тем самым получать потомство без патологий: личинки полностью или частично гибнут на ранних стадиях развития, причем ученые пока не могут понять, как именно Wolbachia этого добивается. У других видов бактерия изменяет соотношение полов в популяции в сторону преобладания самок, чтобы заражение происходило чаще. Делает она это с помощью феминизации генетических самцов – по хромосомному набору должен быть самец, а развивается самка, – или телитокного партеногенеза, когда женские особи без оплодотворения производят дочерей. Однако иногда Wolbachia бывает очень полезной для своего хозяина: она синтезирует витамины или подавляет вредные мутации и даже некоторые вирусы.

Как выяснили биологи, генетически эта бактерия иногда очень отличается у одного вида и может быть одинаковой у разных видов животных, а это говорит о том, что она несколько раз независимо вступала в симбиотические отношения. Это сформировало у Wolbachia «народы» (филетические линии), которые ученые назвали супергруппами.

Несмотря на то, что ученые обнаружили эту бактерию еще в 1924 году, многое о ней еще неизвестно: ни как давно она появилась у членистоногих, ни как переносится между видами. Кроме того, до сих пор неясно, как она управляется с репродуктивной системой своего хозяина и предоставляет ему преимущество.

Ранее авторы анализировали филогенетические связи между разными штаммами и выявили множество противоречий в эволюционной истории Wolbachia. Это связано с масштабным горизонтальным переносом генов, когда организм передает свой наследственный материал непотомку. Так, например, очень давно растения позволили цианобактериям, способным к фотосинтезу, жить в своих клетках. Они со временем превратились в хлоропласты, передав тем самым в геном хозяев много генов.

Для выяснения филогенетических связей авторы использовали специальный подход, который заключается в раскладывании по аллелям (вариантам) каждого гена разных бактерий Wolbachia и в выявлении случаев нерегулярной аккумуляции нуклеотидных замен. В ходе этого исследования авторы изучали Wolbachia у кровососущих комаров, с помощью этого же подхода сравнивая их аллели с аллелями этой бактерии у других видов. Целью ученых было понять, откуда у комаров появился этот симбионт.

«Мы анализировали генетический состав разных супергрупп Wolbachia и пришли к выводу, что бактерии у комаров сильно похожи на те, которые выявляются у чешуекрылых и в одном случае у муравьев. Мы пока не знаем, как так произошло, но есть предположение, что бактерия передается через клещей, живущих на насекомых», – рассказал один из авторов статьи Юрий Илинский, кандидат биологических наук, специалист-биолог Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта.

Ученые обнаружили, что разные бактерии Wolbachia обмениваются генетической информацией. Таким образом микроорганизмы могут «омолаживаться» и исправлять испорченные гены. Чаще всего они это делают с бактериями из той же супергруппы, но иногда и с дальними родственниками. Это значит, что бактерия «ходит» между разными видами хозяев чаще, чем считали ученые, а также то, что ее возраст больше предполагаемого ранее.

«Глобальная цель – понять закономерность генетического распространения Wolbachia у членистоногих. После мы хотим выяснить, каким образом бактерия переносится между хозяевами и с какой скоростью», – заключил Юрий Илинский.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Первого Московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова и Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН.

Картинка: обмен одним геном между разными супергруппами. Источник: Юрий Илинский