Бактеріальна інфекція призводить до незворотної втрати статевого розмноження

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 56

Бактерії Wolbachia (пофарбовані зеленим) у насіннику комахи. ДНК сперматозоїдів пофарбована червоним. Фото з сайту serc.carleton.edu

Паразитична бактерія Wolbachia, що живе в клітинах багатьох видів комах, успадковується по жіночій лінії і тому зацікавлена в тому, щоб заражені нею самки виробляли на світ більше дочок і менше синів. У відповідь на вироблені вольбахією адаптації, що дозволяють їй зміщувати співвідношення підлог в популяціях господарів на користь самок, деякі комахи виробили «контрадаптації», що підвищують ймовірність народження самців. За допомогою математичного моделювання вдалося показати, що у заражених вольбахією перепончатокрилих комах еволюційна «гонка озброєнь» між паразитом і господарем майже неминуче повинна призводити до незворотної втрати здатності до статевого розмноження комахою-господарем. Саме це і сталося з багатьма видами наїзників, зараженими вольбахією.

Бактерія вольбахія живе в цитоплазмі клітин багатьох комах, павукоподібних, ракоподібних і круглих хробаків. Вона лише зрідка передається горизонтально від одного господаря до іншого, а головний шлях її поширення — від матері до дітей з цитоплазмою яйцеклітини. Іншими словами, гени вольбахії поширюються в популяції господарів практично так само, як гени мітохондрій. Самці з точки зору вольбахії є «глухим кутом»: бактерії, що потрапили в самця, приречені загинути разом з ним і не можуть перейти в наступне покоління господарів. Тому між генами вольбахії і ядерними генами господаря виникає конфлікт: перші зацікавлені в тому, щоб заражена самка виробляла на світ тільки дочок, а інтереси ядерних генів, як правило, полягають у тому, щоб співвідношення статей у потомства було рівним. Тим самим створюються передумови для еволюційної «гонки озброєнь». Можна очікувати, що в геномі вольбахії будуть закріплюватися мутації, що сприяють збільшенню частки дочок у потомстві зараженої самки. Як «відповідь» у ядерному геномі господаря можуть накопичуватися мутації зі зворотним фенотипічним ефектом, тобто ті, що сприяють збільшенню частки синів.

Мітохондрії знаходяться в такому ж положенні, що і вольбахія, але зазвичай нічого не можуть з цим вдіяти, тому що в мітохондріальному геномі дуже мало білок-кодуючих генів (у більшості тварин — менше двох десятків). Більшість генів, необхідних для життя і розмноження мітохондрій, знаходяться в ядрі. Через це здібності мітохондрій до егоїстичної еволюції вкрай обмежені. Втім, у рослин мітохондріальні геноми значно більші, при цьому відомі егоїстичні мітохондрії-мутанти, що викликають загибель чоловічих статевих клітин у деяких рослин (це явище називається «цитоплазматичною чоловічою стерильністю»). Вольбахія зберегла понад 1000 власних генів, що дозволило їй досягти куди більш вражаючих успіхів у боротьбі з чоловічою підлогою (див. посилання в замітці Тварини обмінюються генами з паразитичними бактеріями, «Елементи», 05.09.2007).

Вольбахія використовує для зменшення кількості самців різні методи — від грубого «андроциду» (виборчого умертвіння зараженого потомства чоловічої статі) до витонченої «фемінізації» (перетворення самця на самку). До перепончатокрилих комах вольбахія знайшла особливий підхід, пов’язаний з незвичайним способом успадкування статі в цьому загоні. У перепончатокрилих самки диплоїдні і розвиваються з запліднених яєць, тобто мають і мати, і батька. Самці гаплоїдні, розвиваються з неоплодотворених яєць і батька не мають. Самка після спарювання зберігає отриману сперму в спеціальному резервуарі і надалі сама може вирішувати при відкладанні чергового яйця, чи запліднити його (і тоді буде донька), чи залишити неоплодотвореним (тоді буде син).

Вольбахії, які паразитують у клітинах перепончатокрилих, навчилися блокувати розбіжність хромосом під час першого або другого мітотичного поділу неоплідної яйцеклітини. В результаті вихідно гаплоїдний зародок, який мав би стати самцем, виявляється диплоїдним (і при цьому гомозіготним по всіх локусах) і розвивається в самку.

Ця маніпуляція називається «індукцією партеногенезу» (тому що заражені самки починають виробляти на світ дочок партеногенетичним шляхом), а бактерії, що навчилися цьому трюку, позначаються буквами PI (parthenogenesis inducing). PI-вольбахії дуже швидко поширюються в популяціях господарів за рахунок того, що заражені ними самки починають виробляти вдвічі більше дочок, ніж незаражені. Фактично PI-вольбахії дозволяють зараженим самкам не платити так звану «подвійну ціну статі», про яку йшлося в замітці Досліди на хробаках довели, що самці — річ корисна («Елементи», 23.10.2009). Оскільки більшість або всі дочки зараженої самки теж виявляються зараженими, інфекція незабаром може досягти 100-відсоткової частоти в популяції.

Дійсно, більшість популяцій наїзників або заражені PI-вольбахією поголовно, або не заражені зовсім. Це означає, що якщо вже інфекція проникла в популяцію і не була елімінована відразу, то вона, швидше за все, досягне 100-відсоткової частоти.

Лише у деяких видів наїзників з роду Trichogramma зустрічаються змішані популяції, що включають як заражених, так і здорових комах. Ці види, ймовірно, навчилися якось протидіяти поширенню інфекції. В одному випадку (у виду T. kaykai) відомий механізм цієї протидії. У генофонді цього виду є особлива «егоїстична» хромосома (її позначають літерами PSR — paternal sex ratio), що передається строго по чоловічій лінії. Коли ця хромосома при заплідненні потрапляє в зіготу, вона знищує всі батьківські хромосоми, крім самої себе. В результаті яйце виявляється де-факто неоплодотвореним. Тому з нього розвивається не самка, а гаплоїдний самець — володар PSR-хромосоми. Як бачимо, PSR-хромосома і PI-вольбахія здійснюють дії, прямо протилежні за своїм змістом: перша перетворює диплоїдний ембріон на гаплоїдний, тобто робить із самок самців, а друга гаплоїдний ембріон робить диплоїдним, перетворюючи вихідно чоловічий зародок на жіночий. Це типовий результат еволюційної «гонки озброєнь». В результаті в популяціях, де є PSR-хромосома, інфікованість PI-вольбахією підтримується на постійному невисокому рівні (близько 10%).

Вивчення змішаних популяцій Trichogramma показало, що PI-вольбахія зовсім не перешкоджає нормальному статевому розмноженню комах. Заражені самки нормальним чином спарюються з самцями, і, якщо самець не є носієм PSR-хромосоми, з запліднених яєць розвиваються нормальні самки. Ці самки теж виявляються заражені вольбахією, тому їх існування анітрохи не обмежує інтереси паразита. У підсумку заражені самки Trichogramma виробляють на світ дочок двох сортів: «нормальних», що вийшли з запліднених яєць, і «штучно створених» вольбахією з неопліднених яєць, які в нормі повинні були б дати самців. Ці два різновиди самок можна відрізнити один від одного за рівнем гомозіготності: самки, що розвинулися з неоплідних яєць, мають два ідентичних хромосомних набори, тобто гомозіготні по всіх локусах.

Всі факти, про які йшлося досі, на сьогоднішній день цілком зрозумілі і зрозумілі. Але у багатьох видів заражених вольбахією наїзників є одна дивна риса, яку досі не вдавалося виразно пояснити. Практично у всіх популяціях, поголовно заражених PI-вольбахією, самки (але не самці!) повністю втратили здатність до нормального статевого розмноження. Навіть якщо вилікувати цих самок від вольбахії (це неважко зробити за допомогою антибіотиків), вони можуть спарюватися з самцями, але все одно продовжують відкладати виключно неоплідні яйця. Тепер, без втручання вольбахії, з цих яєць розвиваються вже не самки, а самці — цілком нормальні самці, здатні запліднювати самок з незаражених популяцій. Ці самці можуть спарюватися і з вилікуваними самками із зараженої популяції, але потомства від таких спарювань не буває, самки не використовують отриману сперму і як і раніше відкладають тільки неоплодотворені яйця, з яких виводяться тільки самці. Таким чином, виходить, що в поголовно заражених популяціях нормальна репродукція без вольбахії неможлива. Без «допомоги» бактерії в таких популяціях можуть народжуватися тільки самці, що, звичайно ж, призведе популяцію до повного вимирання вже в другому поколінні.

Чому самки в заражених популяціях втратили здатність до статевого розмноження, тоді як самці її зберегли? Над цією загадкою вчені довго ламали голови. Найпростіше пояснити втрату статевого розмноження тим, що в повністю зараженій популяції самців взагалі немає, спарюватися ні з ким, все розмноження йде шляхом партеногенезу, і тому мутації, які порушують роботу генів, необхідних для нормального статевого розмноження, перестають проявлятися в фенотипі і відсіюватися відбором. Накопичення таких мутацій з часом призводить до незворотної втрати здатності до статевого розмноження.

Пояснення в принципі непогане, але воно не дає відповіді на питання, чому все це відбувається тільки з самками, а самці, яких у зараженій популяції взагалі не було до застосування антибіотика, після лікування «воскресають» здоровенькими і цілком плодовитими? Адже шкідливі мутації, що порушують чоловічу репродуктивну функцію, в зараженій популяції теж не відсіювалися відбором! Очевидно, втрата самицями здатності до статевого розмноження повинна була давати цим самкам якусь перевагу. Можна було б припустити, що це перевага «економічного» характеру: переставши витрачати ресурси на непотрібну функцію (наприклад, на розвиток сперматеки та інших органів, необхідних для спарювання і запліднення), самки могли б спрямувати більше ресурсів на щось інше, наприклад на виробництво додаткових яєць. Однак факти не підтверджують це припущення: немає даних, які вказували б на підвищену плодовитість самиць, які втратили статеве розмноження.

Правдоподібне рішення цього непростого завдання знайшли генетики з США і Франції, які опублікували свої результати в журналі BMC Evolutionary Biology. Їхній головний висновок полягає в тому, що втрата самками здатності до статевого розмноження за певних умов виникає як цілком передбачуваний і навіть неминучий побічний результат еволюційної «гонки озброєнь», породженої конфліктом інтересів генів PI-вольбахії і комахи.

Автори вирішували цю теоретичну задачу за допомогою моделювання, причому паралельно використовувалося два підходи: аналітичний (тобто виведення страхітливих формул) і імітаційний (коли всю ситуацію моделюють на комп’ютері, вводять ті чи інші вихідні параметри, дають віртуальній популяції спокійно жити і еволюціонувати протягом скількох поколінь, а потім дивляться, що вийшло). Обидва підходи привели авторів до одних і тих самих висновків, які полягають у наступному.

Якщо PI-вольбахія, яка вперше потрапила в незаражену популяцію, відразу буде мати здатність проникати в 100% яєць, відкладених зараженою самицею, і якщо інфекція не призводить до сильного зниження життєздатності і плодотворності, то дуже швидко зараженість популяції стане 100-відсотковою (з причин, розглянутих вище). Самці зникнуть, статеве розмноження припиниться, і більше нічого особливо цікавого не станеться: еволюційна «гонка озброєнь» просто не встигне розвернутися.

Такий сценарій, однак, малоймовірний. Як показують експерименти, при зараженні нової популяції вольбахіям практично ніколи не вдається відразу забезпечити собі гарантоване проникнення в кожне яйце зараженої самки. Бактеріям потрібно значущий за еволюційними мірками час, щоб домогтися такої ефективності спадкування.

Якщо ж заражуваність яєць спочатку не стовідсоткова, то інфекція буде поширюватися повільніше, і в популяції досить довго буде зберігатися деяка кількість самців і незаражених самок. У такій ситуації, як видно з представлених авторами моделей, будь-яка мутація, що змушує самок рідше використовувати сперму і відкладати менше запліднених яєць, буде підтримана відбором і досить швидко зафіксується, тобто досягне 100-відсоткової частоти в популяції наїзників. Цей результат не залежить від того, наскільки сильний ефект мутації. Мутація може лише ненабагато зменшити частку запліднюваних яєць, а може відразу звести її до нуля (автори називають такі мутації «мутаціями функціональної незайманості») — все одно відбір таку мутацію підтримає і зафіксує. Відбір буде закріплювати ці мутації, одну за одною, до тих пір, поки всі самки в популяції повністю не припинять використовувати сперму для запліднення яєць і не стануть виробляти потомство тільки партеногенетичним шляхом. Станеться те, що і спостерігається у багатьох наїзників — повна і незворотна втрата самками здатності до статевого розмноження, що не відновлюється навіть після втрати PI-вольбахії. До цього результату система неминуче приходить при будь-яких значеннях вхідних параметрів, з одним-єдиним застереженням: заражені самки повинні виробляти в середньому більше дочок, ніж незаражені (а ця умова в реальності практично завжди виконується).

Чому ж відбір так рішуче підтримує будь-які мутації, що знижують частку запліднених яєць? Це відбувається завдяки послідовній дії двох механізмів. Спочатку, поки в популяції ще багато незаражених особин, буде діяти механізм, відкритий ще в 1930-ті роки великим еволюціоністом-теоретиком Рональдом Фішером. Це той самий механізм, який забезпечує у більшості тварин рівне співвідношення статей у популяціях (див.: Чому співвідношення статей майже завжди 1:1). Поширення PI-вольбахії призводить до зниження частки самців. Самці стають «дефіцитною» підлогою: на кожного самця тепер припадає більше однієї самки. Отже, в середньому кожен самець залишатиме більше нащадків, ніж середня самка. З еволюційної точки зору це означає, що бути самцем тепер «вигідніше», ніж самкою. Отже, самиці стає вигідніше народжувати синів, ніж дочок, тому що це підвищує ефективність тиражування її генів у наступних поколіннях (простіше кажучи, така самка залишить більше онуків). Таким чином, відбір буде підтримувати будь-які мутації, що сприяють народженню синів, а не дочок. Для самок перепончатокрилих, як ми знаємо, найпростіший і природний спосіб народжувати більше синів — це не запліднювати свої яйця.

В результаті в популяції відбувається паралельне поширення і PI-вольбахії, і мутацій, що знижують частоту запліднення. Зрештою «фішерівський» механізм перестає працювати, тому що в популяції залишається занадто мало самок, здатних до запліднення. У такій ситуації бути самцем вже не вигідно, навіть якщо самці — велика рідкість.

Найцікавіший і несподіваний висновок, зроблений авторами, полягає в тому, що задовго до того, як перестане працювати «фішерівський» механізм, поширення «генів відмови від запліднення» почне підстьобуватися іншим ефектом, оцінити дієвість якого без імітаційного моделювання було б важко. Тепер, коли самці вже не мають адаптивної переваги перед самками, поширення мутантних генів триватиме завдяки тому, що переважна більшість самців, які залишилися в популяції, на цьому етапі є нащадками мутантних самиць і самі несуть у своєму гаплоїдному геномі мутантні гени, що знижують частоту запліднення. Адже ми пам’ятаємо, що мутації, про які йдеться, збільшують виробництво синів. Мутантні самки виробляють більше синів, передаючи їм «гени відмови від запліднення», а сини, своєю чергою, передають їх усім своїм дочкам. В результаті частка самок — власниць цих генів буде продовжувати рости, хоча це і не приносить їм більше «фішерівської» вигоди у вигляді додаткових онуків.

Таким чином, самці стають головними розповсюджувачами генів, які в короткостроковій перспективі сприяють збільшенню чисельності самців, а в довгостроковій роблять їх зовсім непотрібними.

Коли частота «генів функціональної незайманості» наблизиться до 100%, народжувати самців стане зовсім безглуздо — адже самцям тепер нікого запліднювати, і у самця не буде шансів передати свої гени нащадкам. Тепер вигідно народжувати тільки самок, але наші наїзники вже розучилися це робити без допомоги вольбахії! Таким чином, розмноження комах виявляється в повній залежності від паразитичної бактерії. Бактерія стає як би частиною репродуктивної системи самок, частиною, без якої вони не здатні справити на світ нічого, крім безглуздих самців, не здатних залишити потомство в цій популяції. Таким чином, бактерія з нахабного паразита, що безцеремонно маніпулює своїми господарями, формально перетворюється на корисного симбіонта, без якого господарі тепер не в змозі обійтися.

Еволюція модельної популяції (при одному з реалістичних наборів вхідних параметрів). А частоти генотипів у самок. U — незаражені, I — заражені, n — рецесивний алель «функціональної незайманості», + — предковий алель того ж гена, що не перешкоджає заплідненню. B — частоти генотипів у самців. C — число самок, що припадають на одного самця. Суцільна лінія — всі самки, точкова лінія — самки, здатні до запліднення (з генотипами n + і++). Малюнок з обговорюваної статті у BMC Evolutionary biology

У цій новій ситуації наїзники виявляються зацікавлені в тому, щоб вольбахія потрапляла в кожне яйце (раніше в цьому була зацікавлена тільки сама вольбахія). Пустивши вольбахію в кожне яйце, наїзники остаточно позбудуться тих самців, які стали нікому не потрібними. Будь-яка мутація, що підвищує заражуваність яєць, що сталася в геномі вольбахії або наїзника, буде негайно підтримана відбором. В результаті отримаємо картину, характерну для більшості заражених популяцій наїзників: зараженість повна, самців немає, передача вольбахії у спадок близька до 100%, всі самки позбавлені здатності до статевого розмноження, а самці, яких можна «викликати з небуття», вилікувавши самку антибіотиком і отримавши від неї потомство, — цілком здатні запліднити самку з іншої, незараженої популяції того ж виду наїзників.

Дана робота цікава, по-перше, як приклад витонченого вирішення досить складної задачі з еволюційної генетики. По-друге, вона показує, що еволюційна гонка озброєнь, породжувана конфліктом між генами господаря і внутрішньоклітинного паразита, може в підсумку перетворити паразита на корисного симбіонта і мало не на невід’ємну частину репродуктивної системи господаря. Довга попередня історія мирного співіснування і взаємовигідного співробітництва для цього зовсім не обов’язкова.

Джерело: Richard Stouthamer, James E Russell, Fabrice Vavre, Leonard Nunney. Intragenomic conflict in populations infected by Parthenogenesis Inducing Wolbachia ends with irreversible loss of sexual reproduction // BMC Evolutionary Biology. 2010. №10. P. 229.

Див. також:

1) А. В. Марков. Антимузької мікроб.2

) Тварини обмінюються генами з паразитичними бактеріями, «Елементи», 05.09.2007.

Олександр Марков