«Повернулися часи царя Ірода. Таємнича епідемія забирає життя немовлят чоловічої статі. Уцілілі хлопчики на очах матерів перетворюються в дівчаток або в виродків-інтерсекс. Дівчата народжують без зачаття, а подружні пари вражені безпліддям. »Схоже на початок роману збожеволілого письменника-фантаста, чи не так? Однак це не белетристика, а реалістична реконструкція подій, які могли б статися, якби людство підхопило інфекцію, вже вразила сотні тисяч видів тварин.
Бактерія вольбахія вперше була виявлена в яєчниках звичайного комара (Culex pipiens) в 1924 році. Однак вивчати її всерйоз стали лише багато десятиліть потому, коли з'ясувалося, що саме вона є причиною безлічі різноманітних патологій розвитку і розмноження тварин. Вольбахія виявлена в клітинах жуків, клопів, мух, ос, коників, метеликів, бліх, павуків, кліщів, ракоподібних, черв'яків. Коло відомих «господарів» вольбахія постійно зростає: повідомлення про нові види тварин, нею заражених, з'являються щотижня.
Вперше вольбахія були виявлені в тілі комарів роду Culex. Ці комахи, харчуючись кров'ю ссавців, можуть передавати їм багато мікроорганізмів - але не вольбахія (фото з сайту www.usgs.gov)
На щастя для нас, вольбахія за більш ніж 100 млн років свого існування (саме так оцінюють її вік фахівці) так і не зуміла пристосуватися до життя в організмі ссавців (хоча в лабораторних умовах вона може жити в культурі людських клітин). До того ж її «методи впливу», спочатку орієнтовані на комах, павуків і черв'яків, чи були б настільки ж ефективними у ссавців, імунна система яких набагато досконаліша 1. З іншого боку, найближча родичка вольбахія, риккетсия (спочатку - паразит комах ) вже «освоїла» людини як середовище проживання. Результат - епідемії висипного тифу і так званих плямистих лихоманок.
Вольбахія ніколи не діє так грубо. Вона надходить зі своїми жертвами набагато тонше і витонченіше, вміло маніпулює ними, переслідуючи свої корисливі цілі. Вольбахія не може жити поза клітинами господаря і передається «вертикально» - від матері до її дітям, проникаючи в яйцеклітини заражених самок. Бактерії, що потрапили в організм самця, приречені загинути разом з ним, і не можуть залишити потомства. Самці для вольбахія - непотрібний баласт, і вона позбавляється від них, вибірково вбиваючи зародків чоловічої статі.
В кінці 90-х років російські вчені виявили, що в кладках, відкладених двухточечной сонечком, личинки часто вилуплюються тільки з половини яєць, причому всі вилупилися комахи - самки. Решта яйця, що містять тлінні останки ненароджених «божих бичків», негайно пожираются їх сестрами. Доведено, що причина загибелі чоловічих ембріонів - бактерія вольбахія, проте до цих пір не відомо, як саме вона їх вбиває і як відрізняє самців від самок.
Жертвами здійснюваного вольбахія самцеубійства, або андроціда. є, крім сонечок, деякі метелики, мухи і мурахи. Іноді це призводить до різкого переважання самок в природних популяціях комах. Так, у африканських метеликів Острін, заражених вольбахія, один самець доводиться на 100 або навіть 200 самок. Дивно, що таке катастрофічне скорочення чоловічого населення не призводить до вимирання виду. Виявляється, для виживання популяції часто буває цілком достатньо дуже невеликого числа самців.
Іноді вольбахія вдається вапна всіх самців поголовно, і навіть це не призводить до вимирання господарів, тому що самки, підкоряючись таємничим «наказам» вольбахія, починають розмножуватися партеногенетически - без запліднення ( «партеногенетический» по-грецьки означає «деворожденний»). Деякі види ос, у яких зараженість вольбахія носить поголовний характер, повністю втратили здатність до нормального статевого розмноження і не повертаються до нього, навіть якщо їх вилікувати тетрацикліном.
Ще більш витончено надходить вольбахія з деякими наземними ракоподібними - мокрицями. Різновид вольбахія, що живе в мокриці, навчилася перетворювати генетичних самців в самок. У мокриць чоловічої статі є особлива залоза, що виділяє андрогенний гормон. Від наявності або відсутності цього гормону залежить, яким шляхом піде розвиток зародка - чоловічої чи жіночої. Вольбахія пригнічує роботу андрогенної залози на ранній стадії розвитку тваринного, в результаті чого з зародка з чоловічим набором хромосом розвивається самка. Хромосоми у неї при цьому залишаються чоловічими! Потомство «помилкової самки» на 100% складається з таких же «помилкових самок». Якщо молоду «неправдиву самку» нагодувати тетрацикліном, вона перетворюється в інтерсекс - тварина з сумішшю чоловічих і жіночих рис. Якщо ж вилікувати доросле «неправдиву самку», вона залишається самкою, але починає виробляти на світ виключно одних самців.
Найближчі родичі
Вся найближча рідня вольбахія - внутрішньоклітинні паразити, не здатні довго жити поза клітинами тварини-господаря. Крім різноманітних риккетсий. викликають у людини висипний тиф і плямисту лихоманку, до цієї групи бактерій (так званим ріккетсіевим) відносяться анаплазм і Ерліх. Анаплазм - збудник смертельного захворювання великої рогатої худоби - анаплазматоза. Переносники анаплазми - кліщі. Ця бактерія живе в еритроцитах корів і викликає важку анемію, часто закінчується загибеллю тварини. Ерліх теж переноситься кліщами і викликає небезпечні захворювання жуйних тварин і собак: недокрів'я і серцеву водянку (набряк перикарда). Багато ріккетсіевие, як і вольбахія, використовують T4SS (видозмінений статевий апарат) для введення в клітини господаря різних речовин - регуляторів.
Багато різновидів вольбахія надходять ще хитріше. Бактерії вигідно, щоб заражені самки виробляли більше потомства, ніж здорові. Вольбахія навчилася підвищувати плодючість хворих самок і робити практично марними незаражених. Перше завдання порівняно проста, але як вдається бактерії впливати на плідність тих самок, які нею не заражені? Виявилося, що бактерія використовує в якості свого знаряддя заражених самців. Яйцеклітини здорових самок, запліднені спермою зараженого самця, гинуть; проте той же самець може успішно запліднити будь-яку заражену самку, і їх потомство (природно, теж заражене) буде цілком життєздатне.
Це явище, що отримало назву «цитоплазматическая несумісність» 2 - одна з найбільш інтригуючих загадок вольбахія. Яку дивовижну маніпуляцію проробляє цей мікроб зі сперматозоїдами зараженого самця, що вони стають нездатні запліднити здорову яйцеклітину, але повністю зберігають здатність до запліднення яйцеклітин заражених? Складність проблеми посилюється ще й тим, що всередину сперматозоїда вольбахія проникнути не може - він для цього занадто малий.
Яскраві точки в яйці наїзника трихограми (дрібного паразитичного родича оси) - це клітини вольбахія. Більшість їх накопичилося на тому кінці яйця, якому призначено розвинутися в органи розмноження (фото з сайту www.nsf.gov)
Ця загадка поки не розгадана до кінця, проте вдалося встановити, що «цитоплазматическая несумісність» є результатом злагоджених дій бактерій, що знаходяться в яйцеклітині, і тих, що живуть в статевих залозах самця. Вольбахія, що живуть в сім'яниках самця, вводять в дозрівають сперматозоїди якусь речовину (швидше за все, білок), яке прикріплюється до хромосом сперматозоїда і «псує» їх. Одночасно воно служить свого роду міткою - «умовним знаком» для вольбахія яйцеклітини. Коли відбувається злиття сперматозоїда з яйцеклітиною (запліднення), «мітка» порушує поведінку батьківських хромосом, не дозволяє їм об'єднатися з материнськими і почати злагоджено ділитися разом з ними. Незабаром батьківські хромосоми руйнуються, що майже завжди призводить до загибелі зародка 3. Така ситуація, якщо в яйцеклітині немає вольбахія. Якщо ж вона там є, що виділяються нею білки спрямовуються на допомогу «приреченим» батьківським хромосомами і рятують їх від руйнування. «Метка» інактивується або віддаляється, поведінку хромосом нормалізується, і з заплідненої яйцеклітини розвивається цілком життєздатний зародок (зрозуміло, заражений вольбахія).
Найдивовижніше, що вольбахія, що знаходяться в яйцеклітині, за рідкісними винятками рятують від руйнування тільки ті хромосоми, які були помічені тієї ж самої різновидом бактерії (а різновидів вольбахія відомо багато сотень). Яким чином вольбахія відрізняє «свою» мітку від «чужих», залишається загадкою. Однак ця «розбірливість» вольбахія, яку вона проявляє в справі порятунку чоловічих хромосом, має велике практичне значення. Завдяки їй вольбахія знайшла здатність управляти не тільки розмноженням і розвитком своїх господарів, але навіть їх еволюцією!
Цей ефект, який має найбільш несподівані і далекосяжні наслідки і викликає у вчених, які розуміють суть проблеми, почуття, близьке до містичного жаху, отримав назву «інфекційного видоутворення». Уявімо собі, що одна частина якогось виду тварин заразилася одним різновидом вольбахія, а інша - іншого. Якщо обидва різновиди бактерії викликають «цитоплазматическую несумісність», це неминуче призведе до того, що даний вид виявиться насильно розділений на дві половинки, не здатні схрещуватися один з одним. Фактично це означає розділення вихідного виду на два. Здійсниться найбільше таїнство еволюційного процесу - «акт видоутворення». Здійсниться не по Божій волі і не за законами класичної еволюційної теорії, не в результаті природного відбору, а по «примхи» якийсь бактерії.
Друг нашого врагаУтвержденіе про те, що вольбахія не може жити в організмі людини і тому не є небезпечною для нас, не зовсім точно. Вольбахія не може жити безпосередньо в клітинах нашого тіла, проте вона мешкає в клітинах паразитичних черв'яків - філярій, які можуть жити в тканинах ссавців, в тому числі людини. Філярії викликають у людей ряд небезпечних захворювань - філяріатозів. Черви вражають підшкірну клітковину, внутрішні органи (в тому числі серце), очі. Деякі філярії викликають так звану слоновість - надмірне розростання клітковини, чому рука або нога може непомірно роздутися. Деякі особливості і симптоми філяріатозів визначаються не самими черв'яками-паразитами, а продуктами життєдіяльності вольбахія, що живе в тканинах хробака. Переносником філярій є комахи. Не виключено, що саме від комах ці паразитичні черви колись (близько 100 млн років тому) «заразилися» вольбахія. Але відносини вольбахія з філяріями зовсім інші, ніж з комахами. Між хробаком і бактерією встановилися повна любов і взаєморозуміння. Вольбахія стала корисним співмешканцем (симбіонтом) філярій. Черви, «вилікувані» від вольбахія, сильно страждають: у них різко знижується плодючість і зростає смертність. Коли цей факт був виявлений, вчені та медики сповнилися великих надій. Може бути, вдасться вилікувати людину від філяріатозу, «вилікувавши» його філярій від вольбахія? Адже вапна вольбахія набагато легше, ніж самого хробака (круглі черв'яки, до яких відносяться філярії, відрізняються незвичайною стійкістю до будь-якої хімії). На жаль, ці надії виправдалися тільки частково. Знищення вольбахія тетрацикліном дійсно знижує число і плодючість хробаків-паразитів, але все-таки не призводить до їх повного винищення.
Наскільки реалістичним є цей сценарій? Чи відбувається «інфекційне видоутворення» в природі і якщо так, то як часто? Невідомо. Однак в Північній Америці вже виявлені форми цвіркунів, не здатні схрещуватися один з одним, які, проте, після курсу лікування тетрацикліном раптово стають цілком сумісними і починають давати живе і здорове гібридне потомство.
Як і у всіх бактерій, геном вольбахія складається з єдиною хромосоми - кільцевої молекули ДНК, окремі ділянки якої є генами мікроба (зображення з сайту biology.plosjournals.org)
Група російських вчених під керівництвом професора І. А. Захарова (Інститут загальної генетики РАН) ось уже кілька років намагається розгадати таємницю вольбахія. Згідно з новітніми даними, в геномі вольбахія вдалося виявити кілька десятків генів - найбільш ймовірних кандидатів на роль регуляторів життєдіяльності господарів.
Розшифровка послідовності ДНК. Кожна стрічка відповідає певному типу нуклеотидів (зображення з сайту news.bbc.co.uk)
З'ясувалося, що бактерія впорскує в цитоплазму клітин господаря регуляторні білки, які втручаються в роботу так званого цитоскелету - опорно-рухового апарату клітини, від якого залежить, зокрема, поведінка хромосом під час клітинного поділу. Свої підступні «ін'єкції» вольбахія здійснює за допомогою особливого пристрою - так званої секреторною системи типу 4 (T4SS). Це пристрій являє собою не що інше, як. модифікований статевої апарат. Звичайні бактерії за допомогою цього апарату впорскують свою ДНК в клітини родичів під час так званої кон'югації - бактеріального «статевого акту». Якщо трохи відступитися від суворої біологічної термінології, можна сказати, що вольбахія робить з клітинами своїх господарів статевий акт, тільки замість спадкового матеріалу вона вводить в них різні комбінації білків-регуляторів.
На думку вчених з групи І. А. Захарова, для остаточної розгадки всіх таємниць вольбахія потрібно ще кілька років. Однак практичне використання проміжних результатів досліджень починається вже зараз. Зокрема розробляються методи використання вольбахія для регуляції чисельності та плодючості комах: як шкідливих, так і корисних.
1 До втішних фактів можна віднести і те, що будь-яка тварина, заражене вольбахія, досить легко вилікувати - вольбахія вельми чутлива до антибіотиків, особливо до тетрацикліну.
2 Назва цього ефекту було дано ще до того, як було встановлено, що його причиною є вольбахія. Було відмічено, що деякі самці комарів репродуктивно несумісні з деякими самками. Встановили, що несумісність успадковується по материнській лінії; з цього зробили висновок, що фактор, що визначає це властивість, міститься не в хромосомах і не в ядрі, а в цитоплазмі (оскільки запліднене яйце отримує ядра і хромосоми від обох батьків, а цитоплазму - майже виключно від матері). «Вольбахіевий бум» в мікробіології почався після того, як виявилася зв'язок «цитоплазматичної несумісності» з присутністю в яйці бактерії вольбахія.
3 Запліднене яйце, з якого розвивається зародок у більшості тварин і рослин, має подвійний хромосомний набір, половина якого отримана від матері, половина - від батька. Неоплодотворенное яйце, як і сперматозоїд, має одинарний набір хромосом. Загибель батьківських хромосом в заплідненої яйце призводить до того, що яйце знову стає як би незаплідненим. У більшості випадків з такого яйця зародок не розвивається. Виняток становлять деякі тварини, наприклад оси, бджоли і мурахи, у яких самці (трутні) в нормі розвиваються з незапліднених яєць. У цьому випадку «зусилля» вольбахія призводять до дещо несподіваного результату: потомство не гине, але виявляється на 100% чоловічої статі. Зростання числа незаражених самців, очевидно, невигідний бактерії. Це один з небагатьох випадків, коли вольбахія «недогледіла».