Бактерія Wolbachia — «сірий кардинал» світу комах

Про авторів

Симбіоз (співіснування нерідних організмів, згідно з вихідним визначенням німецького міколога Антона де Барі) — фундаментальне явище природи. Деякі види взаємовідносин деколи побудовані настільки складно, що важко повірити в реальність їхнього існування. Багато симбіонтів контактують на тканинно-клітинному рівні (так звані ендосимбіотичні асоціації), коли один з організмів живе всередині тіла іншого. Великий інтерес у вчених викликають взаємодії ендосімбіонтів на найтоншому, внутрішньоклітинному рівні. Яскравий приклад таких тісних взаємин — бактерії роду Wolbachia, що формують асоціації з багатьма безхребетними тваринами. Маніпулювання репродуктивною системою господаря, вплив на його життєздатність і поведінку роблять Wolbachia одними з найпоширеніших і «майстерних» бактерій на планеті.

Сфери впливу бактерій Wolbachia

Невідомі бактерії, схожі на риккетій, були виявлені в 1924 р. в репродуктивних тканинах звичайного комара (Culex pipiens) М. Гертігом і С. Вольбахом, коли вони вивчали різноманітність бактерій сімейства Rickettsiaceae і їх поширення в різних тканинах комах [1]. Пізніше, в 1936 р. Гертіг назвав описаний вид Wolbachia pipientis на честь свого колеги. Специфічна локалізація цих мікроорганізмів в яєчниках і насінниках комарів, виявлена вченими, не викликала тоді особливого інтересу у наукової громадськості. Лише в 1971 р. сталася подія, що дала поштовх вивченню цих незвичайних бактерій: Дж. Йен і А. Барр виявили у комарів ефект цитоплазматичної несумісності, який спричиняв загибель більшості нащадків при схрещуванні самців, інфікованих бактеріями Wolbachia, з неінфікованими самками [2]. На сьогоднішній день отримані численні дані про різноманітні способи впливу бактерій Wolbachia на організм господаря, що демонструє їх неймовірну здатність пристосовуватися до навколишнього середовища.

Ріс. 1. Бактерії Wolbachia інфікують як репродуктивні органи, так і різні соматичні тканини господарів. Мікрофотографії (конфокальна мікроскопія) германія яйцевої трубки яєчника (а) і центральної нервової системи личинки третього віку (б) дрозофіли, заражених Wolbachia штаму wMelPop. Бактерії зліва пофарбовані червоним, праворуч — зеленим за допомогою флуоресцентної гібридизації in situ; ядра клітин показано синім [6]. Тут і далі фото авторів, отримані на базі Центру колективного користування мікроскопічного аналізу біологічних зразків ІЦиГ СО РАН

Бактерії роду Wolbachia — грамотрицькі альфа-протеобактерії, що відносяться до порядку Rickettsiales. До складу роду входить тільки один вид Wolbachia pipientis. Два інших види W. persica (ендосімбіонт кліщів) і W. melophagi (паразит безкрилих кровосисних мух), спочатку віднесені до цього ж роду, деякий час потому були з нього виключені. Порівняно з близькоспорідненими видами з порядку Rickettsiales, що інфікують як ссавців, так і безхребетних, бактерії Wolbachia виявляються тільки у останніх. Їх вплив поширюється на широке коло членистоногих, а також на 16 видів нематод і може варіювати від мутуалістичного (взаємовигідного для обох сторін) до паразитичного. Передача інфекції з покоління в покоління відбувається вертикально, від матері потомству, хоча відомі випадки горизонтального перенесення. Таким чином, основна стратегія існування Wolbachia всередині популяцій безхребетних і продовження бактерією свого роду — зараження репродуктивних органів господаря, а саме яєчників самки, які беруть безпосередню участь у виробництві потомства (рис. 1, а). Проте бактерії виявляються також у багатьох соматичних тканинах, наприклад нервовій, включаючи мозок, у мальпігієвих судинах, жировому тілі, кишечнику, а також у гемоцитах (клітинах гемолімфи) комах (рис. 1, б). Для розвитку Wolbachia розташування в цих тканинах — апріорі тупикове, оскільки позбавляє бактерій можливості передачі в наступне покоління. Однак, судячи з останніх даних, ці мікроорганізми, навіть перебуваючи поза репродуктивними тканинами, можуть опосередковано забезпечувати успішне продовження свого роду.

Рис, 2. Мікрофотографії (просвічувальна електронна мікроскопія) Wolbachia в тканині ембріонів сарани Podisma sapporensis. Як правило, бактерії мають кокко- (а) або паличкоподібну (б) форму з добре різною оболонкою, що складається з трьох шарів, а в їх матриксі багато рибосом і ниток ДНК (в)

Бактерії присутні всередині клітин господаря і зазвичай мають паличко- або кокковидну форму, їх довжина 1 мкм, а діаметр 0,5 мкм (рис. 2, а, б). Оболонка цих бактерій складається з трьох шарів: внутрішньої плазматичної мембрани, клітинної стінки та зовнішньої мембрани господарського походження. Саме остання, що утворюється за рахунок використання апарату клітини господаря, допомагає бактеріям «ховатися» від агресивного впливу різних внутрішньоклітинних ферментів. У матриксі бактеріальної клітини при ультраструктурному аналізі виявляються тонкі нитки ДНК, а також безліч рибосом (рис. 2, в). Ми, як і інші дослідники, бачимо, що всередині клітини господаря Wolbachia поводяться досить активно. Часто зустрічаються бактерії, що діляться і контактують з різними органелами клітини: ендоплазматичною мережею, мітохондріями, ядром, апаратом Гольджі і цитоскелетом (рис. 3).

Рис, 3. Бактерії Wolbachia активно контактують з різними органелами клітини господаря. Мікрофотографії (просвічувальна електронна мікроскопія) Wolbachia в клітинах мозку Drosophila melanogaster. Бактерії (Б) взаємодіють з гладким ендоплазматичним ретикулумом (гЕПР) (а), рибосомами на мембрані шорсткого ЕПР (шЕПР; праворуч — збільшене зображення контакту) (б), мітохондріями (М; праворуч збільшено зображення контакту — каналу на зразок пори) (в), ядром (Я) (г), цистернами апарату Гольджі (Г) (д), мікротрубочками (МТ) (е) клітини дрозофіли. Wolbachia «відкриває» свою плазматичну мембрану перед шЕПР (ж). Місця контакту показано стрілками або виділено рамкою [4]

Основна причина широкого поширення бактерій Wolbachia серед безлічі членистоногих — здатність впливати на репродуктивну систему господаря, забезпечуючи сприятливі умови для розмноження ендосимбіонта і передачі його в наступне покоління. Відомі чотири модифікації статевого розмноження, що відбуваються під впливом бактерій: цитоплазматична несумісність, партеногенез, фемінізація та андроцид * [3].

Головна мета цих репродуктивних змін — збільшення частки заражених самок у популяції господаря. Під час еволюції цитоплазматичні бактерії виробили різні способи зменшити частку самців у потомстві заражених самок, адже в чоловічих гаметах мало цитоплазми, і тому бактерії, як правило, не можуть передаватися від батька.

Цитоплазматична несумісність, найпоширеніший ефект Wolbachia, виникає при схрещуванні інфікованого самця зі здоровою або інфікованою іншим штамом самкою. На рівні клітини це проявляється в порушенні конденсації чоловічого пронуклеуса і неправильній розбіжності хроматид під час першого мітозу після проникнення спермія в яйцеклітину, що в кінцевому підсумку призводить до руйнування батьківських хромосом і нежиттєздатності потомства. Якщо самка заражена тим же самим штамом бактерій, конденсація батьківських хромосом не порушується, а з яйця благополучно розвивається нова заражена особина. Загибель ембріонів в результаті цитоплазматичної несумісності варіює від 0 до 100% в різних популяціях видів тварин.

Партеногенез, що викликається Wolbachia, призводить до збільшення кількості «дочок» в популяції господаря з таким типом розвитку, при якому з запліднених яйцеклітин розвиваються самки, а з неоплідних — самці. Бактеріальна інфекція спрямовує розвиток яйця за жіночим типом. Цей варіант репродуктивного паразитизму здійснюється у деяких організмів (паразитичних ос Leptopilina clavipes і різних видів наїзників роду Trichogramma) за рахунок порушення анафази першого ділення клітини під час раннього ембріонального розвитку, в результаті чого замість двох гаплоїдних ядер (з яких повинні були б розвинутися самці) утворюється одне диплоїдне (і виходить самка). У інших безхребетних (ос Muscidifurax uniraptor) перший мітотичний поділ проходить повністю, але потім отримані два ядра зливаються в одне, відновлюючи диплоїдність, що призводить до розвитку особини жіночої статі.

При фемінізації бактерії Wolbachia «перетворюють» генетичних самців на самок, розмножуючись в андрогенній залозі самця, що відповідає за розвиток насінників, в результаті чого знижується її функція. Це відбувається, наприклад, у мокриць. Деякі види, можливо, мають негативний вплив на роботу генів, які беруть участь у визначенні статі.

Андроцид (загибель самців) проявляється у високій смертності особин чоловічої статі на личиночній стадії розвитку. Цей ефект характерний, зокрема, для божих корівок. Він забезпечує самкам, що виживають, велику доступність поживних речовин у навколишньому середовищі. Механізм андроциду досі з’ясовується.

Бактерії Wolbachia крім репродуктивних модифікацій можуть чинити й інші впливи на розмноження і життєдіяльність господаря. Прикладом служить паразитична оса Asobara tabida. Нещодавно виявили, що формування її яйцеклітин залежить від присутності бактерій, які, ймовірно, впливають на процес апоптозу, запобігаючи загибелі живильних клітин яєчника і сприяючи оогенезу [5]. Wolbachia можуть надавати як негативну, так і позитивну дію на тривалість життя господаря. Отриманий в лабораторії патогенний штам wMelPop, як з’ясували ми і зарубіжні колеги, стрімко розмножується в соматичних тканинах дрозофіл (Drosophila melanogaster), включаючи мозок. Це призводить до знищення клітин господаря і значно зменшує виживання інфікованих мух порівняно зі здоровими (рис. 4) [6, 7]. У нашій лабораторії також вдалося довести, що бактерії цього патогенного штаму збільшують частоту апоптозу в клітинах яєчника плодової мушки [8]. Зате при 16 ° З деякі інфіковані лінії, навпаки, живуть довше за здорові [9].

Рис, 4. Активне розмноження бактерій Wolbachia призводить до загибелі плодових мушок. Показані криві виживаності інфікованої (червона) і здорової (синя) ліній дрозофіл, що містяться при температурі 29 ° С (а), і мікрофотографія (просвічуюча електронна мікроскопія) зруйнованих клітин мозку мушки (б)

Згідно з останніми даними, вплив Wolbachia не обмежується одними репродуктивними модифікаціями і впливом на життєздатність безхребетних. Бактерії виявляються і в соматичних клітинах господаря, а це відкриває нові межі взаємин всередині симбіотичної асоціації.

Бактерії та імунна система господаря

Відомо, що бактерії Wolbachia присутні в гемолімфі комах, а отже, можуть безпосередньо взаємодіяти з молекулами, секретованими в результаті гуморальної імунної відповіді господаря [10]. Наприклад, жовтотихоманчі комарі (Aedes aegypti), штучно заражені Wolbachia штаму wMelPop, демонструють підвищену стійкість до інфекції паразитичними філяріями Brugia pahangi, вірулентним штамом бактерій Erwinia carotovora і малярійним плазмодієм Plallasgineinminia carotovora. Крім того, що Wolbachia посилюють протидію інфекціям круглими хробаками, бактеріями і найпростішими, вони можуть також заважати зараженню господаря вірусами. У природних популяціях D. melanogaster інфіковані мухи живуть довше, ефективніше справляючись із зараженням РНК-вірусами DCV (Drosophila C Virus) і FHV (Flock House Virus), ніж їхні здорові сім’ї [13]. Велике за своєю значимістю відкриття нещодавно зробили австралійські вчені. Вони встановили, що зараження бактеріями Wolbachia комара A. aegypti, основного переносника вірусу лихоманки Денге, ускладнює для останнього створення стійкої популяції в тканинах комахи [13]. Виявлені ефекти, які надає ендосімбіонт на життєдіяльність господаря, відкривають широкі перспективи використання Wolbachia в якості біологічної зброї для боротьби з різними комахами — переносниками захворювань людини і шкідниками сільського господарства. В даний час бактерії вже застосовуються в декількох тропічних областях світу, щоб перемогти лихоманку Денге.

Впровадження в мозок господаря

Особливий інтерес серед вчених, які займаються дослідженням бактерій Wolbachia, викликає зараз вивчення здатності цих ендосимбіонтів керувати поведінкою господаря. Такий вплив мікроорганізми можуть надавати як безпосередньо, через інфікування специфічних областей мозку, так і опосередковано — через заселення кишківника або жирового тіла.

Мозок комах часто вважають чимось дуже простим і несуттєвим. Іноді люди навіть не припускають, що у таких крихітних тварин він взагалі є. Незважаючи на те, що центральна нервова система ссавців набагато більше за розміром і складніше влаштована в порівнянні з комахами, у тих і в інших процеси сприйняття різних стимулів рецепторними клітинами і передача нервових імпульсів в специфічні області мозку відбуваються подібним чином. Більш того, у хребетних і безхребетних в мозку виявляються ідентичні за своїми функціями ділянки. За ефективністю використання ресурсів нервових клітин комахи взагалі займають лідируючі позиції. У плодової мушки роду Drosophila мозок складається всього з 100 тис. клітин, а у медоносної бджоли Apis mellifera їх трохи менше 1 млн (у людини їх близько 85 млрд), при цьому у комах, особливо у суспільних видів (мурахів, ос, бджіл, джмелів та ін.), виявляються дуже складні механізми поведінки, запам’ятовування і сприйняття інформації. Додатково ускладнює роботу центральної нервової системи тварин наявність у клітинах мозку або в тканинах ендосімбіонтів, здатних модифікувати поведінку своїх господарів і викликати нейродегенеративні розлади.

Присутність бактерій Wolbachia в клітинах мозку комах вже не вважається винятковим явищем. Ендосімбіонтів знайшли практично у всіх відділах мозку дрозофіли (рис. 5). Залежно від штаму бактерії вони можуть бути нешкідливими для свого «володаря» або викликати деградацію нервових клітин, безконтрольно розмножуючись у них [7, 15]. За час коадаптації з господарями Wolbachia виробили і закріпили унікальну здатність нерівномірно переміщатися з однієї клітини в іншу при діленні нейронів мозку на стадії активного формування центральної нервової системи ембріона дрозофіли. Формування нового нейрона або гліальної клітини у представників роду Drosophila походить з гангліозної материнської клітини, що утворюється при асиметричному поділі нейробласту. При цьому бактерії залишаються в основному в формованому нейробласті і лише в невеликій кількості переміщуються в гангліозну клітку. Під час метаморфозу личинки у дорослу особину відбувається інтенсивна перебудова нервової системи і багато нейронів гинуть в результаті апоптозу. Залишаючись у нейробластах, бактерії з більшою ймовірністю потрапляють у клітини мозку дорослої мухи.

Рис, 5. Бактерії Wolbachia інфікують практично всі області мозку дрозофіли (конфокальна мікроскопія)

Асиметричний розподіл бактерій при нейрогенезі призводить зрештою до нерівномірного розселення бактерій по всьому мозку. Wolbachia здатні впливати на рівень нейромедіаторів у нервових клітинах комах, зокрема підвищувати рівень дофаміну [16]. «Специфічний» розподіл мікроорганізмів, а також їх вплив на роботу нейронів породжує багато ідей щодо можливого впливу бактерій на життєдіяльність господаря. Наприклад, присутність бактерій у нейронах антенальних часток, що відповідають за нюх у комахи, може впливати на роботу цих клітин, порушуючи сприйняття феромонів, і кардинально змінювати поведінку тварини в шлюбний сезон. Можливо, Wolbachia таким чином «налаштовують» господарів на розпізнавання «своїх» і «чужих» особин, тобто інфікованих тим же або відмінним штамом, щоб уникнути цитоплазматичної несумісності, що веде до загибелі потомства. Яскравий приклад такої тонкої взаємодії всередині симбіотичної асоціації — тропічні мухи D. paulistorum, серед яких є кілька підвидів, інфікованих різними штаммами Wolbachia і не схрещуються між собою. Искусственное подавление бактериальной инфекции с помощью антибиотиков приводит к нарушению системы распознавания насекомого и образованию различных гибридных линий, как правило, не встречающихся в природе [17]. Інфікуючи жирове тіло комахи, що бере участь в утворенні феромонів, бактерії Wolbachia можуть змінювати специфічний набір так званих кутикулярних вуглеводнів, які створюють унікальний запах для кожного виду.

Wolbachia локалізуються також у нейронах грибовидних тіл комахи. Ці парні структури — один з найважливіших центрів мозку безхребетного. Вони відповідають за формування короткочасної і довготривалої пам’яті, подібно гіпокампу людини. У цій же області відбувається аналіз сигналів, що надходять від центрів нюху — антеннальних часток. Наявність бактеріальної інфекції, ймовірно, може призводити до спрямованої зміни роботи нейронів грибовидних тіл і до формування певної картини довготривалої пам’яті на феромони для визначення «своїх» і «чужих» особин. Однак варто відзначити, що подібні взаємини господаря і сімбіонта — поки лише гіпотеза і не підтверджені експериментально.

Наведені нами приклади специфічної локалізації Wolbachia в клітинах мозку комах і можливі наслідки впливу бактеріальної інфекції на поведінку господаря показують, наскільки тісно можуть здійснюватися взаємодії в симбіотичній асоціації. Бактерії фактично виступають в ролі ляльковода, маніпулюючого життєдіяльністю комахи заради продовження власного роду. Розмноження різних бактерій, найпростіших і плоских хробаків в мозку тварини і управління її поведінкою давно перестало бути сюжетом наукової фантастики. Наприклад, найпростіші Toxoplasma gondii заселяють тканини мозку щурів. У гризунів повністю зникає страх при сприйнятті запаху сечі їхнього найлютішого ворога — кішки, і вони стають легкою здобиччю хижаків [18]. Так паразит переміщується в тканини свого основного господаря. Ці найпростіші «ладнають» і з людьми. Імовірно, результат такої «співдружності» — уповільнення швидкості реакції людини, що збільшує ризик потрапити в дорожньо-транспортну пригоду приблизно вдвічі.

Життя в кишечнику

У кишечнику будь-якої тварини міститься велика кількість різноманітних мікроорганізмів, які так чи інакше взаємодіють зі своїм господарем і формують специфічну для конкретного виду спільноту, або мікрофлору. Воно відіграє дуже важливу роль у розвитку організму і в його життєдіяльності. Зміни в кишковій мікрофлорі можуть впливати на багато фізіологічних процесів, а також викликати різні порушення здоров’я, від запальних процесів до ожиріння [19]. Зараз особлива увага приділяється взаємодії мікроорганізмів з центральною нервовою системою господаря (за допомогою нервових, ендокринних шляхів або імунної відповіді) та їх впливу на функції мозку і поведінку тварини. Відбувається формування так званої осі «мікрофлора — кишечник — головний мозок», яка може регулювати свідомість, настрій, тривожність і больові відчуття організму. Крім того, заселення кишечника ссавця, що розвивається, визначеною за складом мікрофлорою впливає на розвиток центральної нервової системи і подальшу поведінку тварини [20].

Відомо, що мікроорганізми в кишечнику комах відіграють важливу роль у формуванні уподобань при виборі партнера для схрещування. Мухи одного й того ж виду, розділені на дві групи і що містяться на різних поживних середовищах навіть протягом одного покоління, перестають схрещуватися з особинами іншої групи і воліють партнера, який їв ту ж їжу [21]. Певна дієта викликає зміну складу кишкової мікрофлори і, мабуть, відповідно до ланцюжка зв’язків між мікрофлорою, кишечником і головним мозком призводить до виникнення ізоляційного бар’єру всередині популяції і початкового етапу видоутворення. Недавні дослідження, проведені за допомогою піросеквенування нового покоління, продемонстрували, що в кишечнику 55% проаналізованих комах різних видів (166 з 305 отриманих зразків) містяться бактерії Wolbachia [22]. Тому не можна виключити їх активну участь у поведінці комах і вплив на вибір господарями партнера для схрещування через вісь «мікрофлора — кишечник — головний мозок», проте доказів на даний момент немає.

Отже, в природі існує величезна кількість прикладів тонкої взаємодії партнерів симбіотичної асоціації. Всі тварини і рослини вступають у взаємини з мікроорганізмами, коеволюціонують і формують дивовижні та унікальні за своєю структурою форми симбіозу. Вже неможливо розглядати еволюцію організмів без урахування мікробної спільноти, що населяє їх тканини або клітини. У 2007 р. були вперше сформульовані принципи так званої хологеномної теорії еволюції, що розглядають в якості об’єкта природного відбору не організм сам по собі, а асоціацію мікробів і організму — «холобіонт»