Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №10

Вольбахии: Чужие внутри генома

Шабанов Д.

В "КТ" не раз упоминалось имя Крэйга Вентера, американского мультимиллионера, который развлекается то расшифровкой генома человека (а точнее, своего собственного генома), то созданием искусственной жизни из модифицированных микоплазм ("минималистских" бактерий). Недавно сотрудники созданного им Института исследований геномики совершили очередное открытие — не столько технологического, сколько мировоззренческого характера.

В статье авторского коллектива (двадцать имен) говорится об обнаружении генов бактерии вольбахии (Wolbachia) в геномах насекомых и круглых червей. Чтобы оценить открытие, необходимо обсудить особенности этой бактерии — эндосимбионта и внутриклеточного паразита многих видов беспозвоночных. Посмотрим, что было известно о вольбахиях до настоящего времени.

Итак, вольбахия живет в цитоплазме клеток своих хозяев: насекомых, круглых червей, ракообразных и других беспозвоночных. Иногда клетки насекомых просто нашпигованы этими паразитами! Воздействие вольбахии на ее хозяев может быть весьма разнообразным — иногда она не вредит им, но по большей части наносит серьезный ущерб. Например, типичное проявление активности бактерии — гибель яиц ее хозяев, содержащих эмбрионы мужского пола (так называемый андроцид, убийство мужчин). Как ни парадоксально, хозяева при этом не вымирают. Во-первых, репродуктивный потенциал популяции зависит от количества самок, а не самцов. Считанные особи мужского пола могут оплодотворить множество женских особей. Во-вторых, вольбахия может заботиться о воспроизводстве зараженных самок, придавая им способность к партеногенезу — девственному размножению.

Ущемляя самцов, вольбахия вроде бы помогает самкам. Зараженные этой бактерией насекомые могут увеличивать продолжительность своей жизни вдвое и существенно поднимать свою плодовитость! Вроде бы того же уровня жизнеспособности могут достигать и свободные от этих бактерий особи, но в любом случае удаление вольбахии наносит "подсевшим" на нее линиям хозяев ущерб.

Почему вольбахия борется с самцами? Потомство зараженных самок будет зараженным, так как вольбахии смогут перейти в яйцеклетки. А сперматозоиды для этих бактерий слишком малы. Самцы "не нужны" паразиту, вот он их и убивает. Но это не единственная стратегия вольбахии. Для некоторых хозяев (например, мокриц, наземных ракообразных) показано, что бактерии могут сохранять самцов живыми, просто превращая их в самок, несмотря на мужской хромосомный набор. Потомство превращенных самцов будет таким же — самками с генами самцов, образующими партеногенетический клон, зараженный вольбахиями. В эксперименте удавалось превратить таких мокриц в нормальных самцов, обработав их антибиотиком и избавив от внутриклеточных паразитов.

Еще одно из решений, используемых вольбахией для интенсификации своей передачи, — управление плодовитостью зараженных самцов. Их сперматозоиды теряют способность к оплодотворению яйцеклеток незараженных или зараженных иными клонами вольбахии самок (нечего тем размножаться), но отлично взаимодействуют с яйцами, несущими ту же заразу! Короче говоря, основное предположение исследователей этого явления, названного цитоплазматической несовместимостью, сводится к тому, что вольбахия создает в сперматозоидах некий контролируемый дефект, который может быть исправлен работой бактерий, находящихся в яйцеклетке. Какова стратегия! Вспомните фантастические фильмы и книги — смогла ли человеческая фантазия придумать что-то подобное?

Одним из следствий изощренности стратегий вольбахии стало так называемое инфекционное видообразование — разделение вида хозяев этой бактерии на множество генетически изолированных партеногенетических или двуполых линий. В результате независимой эволюции такие линии со временем могут превратиться в самостоятельные виды. Не в этом ли один из секретов видового обилия насекомых и круглых червей — самых многочисленных классов организмов на нашей планете? Не случайно вольбахии населяют клетки примерно 70 % видов современных животных! Кстати, в лабораторных условиях вольбахия живет в культуре клеток человека, но в естественных условиях к паразитированию на млекопитающих эти микроорганизмы, к счастью, не перешли.

Слева — яйцо дрозофилы, заражённое вольбахией. Справа — благодаря антибиотикам, вольбахии уничтожены, а гены их остались!

Изучение отношений этой умопомрачительной бактерии с клетками ее хозяев может быть ключом к решению более широкой проблемы — происхождения эукариотических организмов. Клетки человека, как и клетки всех других животных, растений и грибов, обеспечиваются энергией благодаря работе митохондрий — относительно автономных клеточных органелл. Молекулярные исследования убедительно доказали, что митохондрии являются потомками каких-то альфа-протеобактерий, одной из групп бактерий, процветающих до сих пор. Вольбахия относится именно к этой группе. Митохондрии живут в цитоплазме наших клеток, размножаются делением и даже имеют собственную кольцевую ДНК и механизм синтеза белка. Когда кто-то из нас говорит "я" о своем теле, он подразумевает не только совокупность органов, тканей и клеток, но и населяющих все эти клетки эндосимбионтов — потомков когда-то независимых организмов со своей эволюционной судьбой. Впрочем, о самодостаточности митохондрий не может быть и речи — большая часть необходимых им белков кодируется в ядерном геноме. В течение длительного времени это обстоятельство было излюбленным аргументом противников эндосимбиотического происхождения митохондрий. А отличие вольбахий от бактерий-предков митохондрий пытались объяснить именно тем, что вольбахии не способны передавать свои гены в ядра. Это предположение не оправдалось.

Вернемся, однако, к открытиям сотрудников Института Вентера. Они обнаружили, что даже после обработки клеток дрозофилы антибиотиком, убивавшим находящихся в ней вольбахий, генетические тесты на наличие бактериальной ДНК в клетках таких дрозофил продолжают срабатывать. Исследования этого феномена показали, что геном вольбахии может попросту включаться в состав генома хозяина. Фрагменты генетической информации этой бактерии найдены в клетках четырех видов насекомых и четырех видов круглых червей; размер фрагментов колебался от почти полного генома (длиной в 1 мегабазу, миллион пар оснований) до относительно небольших кусочков.

То, что вирусы способны встраиваться в геном своих эукариотических хозяев, а потом выходить из него, известно давно. "КТ" уже писала, что такие вирусы могут переносить к новым хозяевам фрагменты генетической информации со своих прежних "мест стоянки". То, что на подобный фокус (по крайней мере, в отношении встраивания своей наследственной информации в хозяйский геном) способны и бактерии, обнаружено впервые. А может ли вольбахия переносить блоки генетической информации хозяев с места на место? Учтите, что "грузоподъемность" бактерии, обладающей собственной клеткой, гораздо выше, чем у вируса — конгломерата нескольких молекул. Если способна, тогда кто (что), собственно, управляет эволюцией подавляющего большинства видов земных животных? Впрочем, обойдемся без мистики. Весьма вероятно, что чудесной и загадочной для нас вольбахию делает именно ее относительная изученность. Вы уверены, что в живых организмах под нашими ногами не таятся еще большие чудеса, пока не замеченные нами?

Вспомните исключительные способности вольбахии — от андроцида и обеспечения цитоплазматической несовместимости до феминизации самцов, индукции партеногенеза и увеличения продолжительности жизни хозяев. Вероятно, биохимические "ключи" этих способностей закодированы в ее геноме. И весь этот набор инструментов для взлома своей видовой стратегии хозяева послушно помещают в собственный наследственный аппарат! Хотя… Быть может, причина чудесных способностей вольбахии кроется не столько в ней самой, сколько в организмах, которые она заражает? Может, бактерия лишь открывает "секретные дверцы", предусмотренные «всевышним» в конструкции хозяев? Относительно партеногенеза или увеличения продолжительности жизни в это поверить не так уж и трудно. С феминизацией самцов — сложнее, но тоже можно: ведь у мужских зародышей есть потенциальная возможность превратиться в самок. Андроцид? Кто знает… В какой же ситуации виду может быть выгодна такая возможность? Цитоплазматическая несовместимость? Кажется, что реализовать ее без сотрудничества паразита и хозяина было бы невозможно. Но даже если бактерия просто "выбирает" между несколькими вариантами альтернативных стратегий развития хозяина, как она делает этот выбор, как отключает остальные пути?

…Детям помоложе, которые ходят в школу, и детям постарше, которые ходят в вуз, рассказывают, что организм — это результат реализации определенной генетической программы и что эволюция — это процесс изменения генных частот в популяциях. Убедительно, правда?