Введение
Род бактерий класса Альфапротеобактерии.
Вольбахия – это род грам-отрицательных бактерий, которые могут инфицировать многие виды членистоногих как внутриклеточные паразиты или выступать в качестве мутуалистических микробов в филяриальных нематодах. Это один из самых распространенных паразитических микробов членистоногих и, возможно, самый распространенный репродуктивный паразит в биосфере. Взаимодействия Вольбахии с хозяевами часто сложны. Некоторые виды хозяев не могут размножаться или даже выживать без колонизации Вольбахией. Одно исследование показало, что более 16% видов насекомых неотропической области являются носителями бактерий этого рода, и оценивается, что от 25 до 70% всех видов насекомых могут быть потенциальными хозяевами.
История
Род был впервые идентифицирован в 1924 году Маршалом Гертигом и Симеоном Бертом Вольбахом в обычном домашнем комаре. Они описали его как "в некоторой степени плейоморфный, палочковидный, грамотрицательный, внутриклеточный организм, который, по-видимому, инфицирует только яичники и семенники". Гертиг официально описал вид в 1936 году и предложил как родовое, так и видовое название: Wolbachia pipientis. Исследования вольбахии активизировались после 1971 года, когда Дженис Йен и А. Ральф Барр из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили, что яйца комаров Culex погибали из-за цитоплазматической несовместимости, когда сперма самцов, инфицированных Wolbachia, оплодотворяла неинфицированные яйца. Род Wolbachia представляет значительный интерес сегодня благодаря своему повсеместному распространению, множеству различных эволюционных взаимодействий и потенциальному использованию в качестве агента биологического контроля. Филогенетические исследования показали, что Wolbachia persica (ныне Francisella persica) была тесно связана с видами рода Francisella, а Wolbachia melophagi (ныне Bartonella melophagi) – с видами рода Bartonella, что привело к переносу этих видов в соответствующие роды. Более того, в отличие от настоящей Wolbachia, которой для размножения необходима клетка-хозяин, F. persica и B. melophagi можно культивировать на агарных пластинах. Феминизация приводит к развитию инфицированных самцов в самок или бесплодных псевдосамок. Это особенно распространено у видов чешуекрылых, таких как вредитель бобов адзуки (Ostrinia scapulalis). Партеногенез – это размножение инфицированных самок без участия самцов. Некоторые ученые предполагают, что партеногенез всегда может быть вызван воздействием Wolbachia, хотя это не относится к мраморному раку. Примером партеногенеза, индуцированного присутствием Wolbachia, являются некоторые виды паразитоидных ос рода Trichogramma, которые эволюционировали для размножения без самцов из-за присутствия Wolbachia. Самцы редки в этом роде ос, возможно, потому что многие были уничтожены тем же штаммом Wolbachia. Цитоплазматическая несовместимость – это неспособность самцов, инфицированных Wolbachia, успешно размножаться с неинфицированными самками или самками, инфицированными другим штаммом Wolbachia. Это снижает репродуктивный успех неинфицированных самок и, следовательно, способствует распространению инфицирующего штамма. В механизме цитоплазматической несовместимости Wolbachia вмешивается в родительские хромосомы во время первых митотических делений, нарушая их синхронное деление.
Влияние половой дифференциации на хозяев
Несколько видов хозяев, таких как представители рода Trichogramma, настолько зависимы от половой дифференциации, вызванной Wolbachia, что не могут эффективно размножаться без этих бактерий в организме, а некоторые, возможно, даже не способны выжить без инфекции. Одно исследование инфицированных мокриц показало, что в потомстве инфицированных особей доля самок выше, чем у неинфицированных. Wolbachia, особенно вызывающая цитоплазматическую несовместимость, может играть важную роль в процессе видообразования. Штаммы Wolbachia, искажающие соотношение полов, могут изменять паттерны полового отбора у их хозяев в природе, а также вызывать сильный отбор, направленный на предотвращение их действия, что приводит к одним из самых быстрых примеров естественного отбора в природных популяциях. Эффекты уничтожения самцов и феминизации, вызываемые инфекциями Wolbachia, также могут приводить к видообразованию у хозяев. Например, популяции мокрицы Armadillidium vulgare, подверженные феминизирующему воздействию Wolbachia, теряют хромосому, определяющую пол самки. В этих случаях развитие особи в самку возможно только при наличии Wolbachia.
Влияние на ароматазу
Энзим ароматаза, как выяснилось, опосредует смену пола у многих видов рыб. Wolbachia может влиять на активность ароматазы в развивающихся рыбьих эмбрионах.
a. Взаимодействие хищника и добычи
Вольбахия может передаваться от жертвы к хищнику через пищеварительную систему. Для этого вольбахии необходимо сначала пережить прохождение через просвет пищеварительного тракта, а затем проникнуть в ткани хозяина через эпителий кишечника. Этот путь представляется нечастым, поскольку подтверждающих данных немного.
b. Взаимодействие хозяина/паразита/паразита
Это может быть одним из наиболее распространенных путей переноса Wolbachia к новым хозяевам. По сравнению с взаимодействием хищник-жертва, физический контакт между хозяином и паразитами обычно более продолжительный, происходит на разных стадиях развития и обеспечивает прямой контакт Wolbachia с различными тканями. Поскольку такое взаимодействие может привести к обмену микроорганизмами с обеих сторон, одним из способов понять направление переноса является оценка присутствия Wolbachia у близкородственных видов как со стороны хозяина, так и со стороны паразита, поскольку у донора обычно наблюдается большее разнообразие инфекций. Один вид паразитоида может заражать несколько общих хозяев, и один вид хозяина может быть заражен несколькими паразитоидами. Например, Wolbachia, вызывающая партеногенез, может распространяться между паразитоидными осами рода Trichogramma, использующими одни и те же яйца хозяина. Паразиты также могут выступать в качестве вектора между инфицированными и неинфицированными хозяевами, сами при этом не заражаясь. Так, когда ротовые органы и яйцеклад афелинидных паразитоидных ос загрязняются при питании Wolbachia-инфицированной Bemisia tabaci, это может привести к заражению следующего хозяина.
c. Общие растительные и другие источники пищи
Этот путь применим к микробам, способным выживать как внутри, так и на поверхности пищи. Эксперименты показали, что штамм Wolbachia wAlbB может выживать внеклеточно до 7 дней, а некоторые штаммы – до 50 дней в флоэмных сосудах листьев хлопка. Растения – одна из лучших сред для реализации этого пути. При физическом контакте между ротовыми органами членистоногих и растительной тканью, вольбахии, обитающие в слюнных железах некоторых насекомых, могут передаваться на растения. В результате, виды членистоногих, питающиеся одними и теми же растениями, могут обмениваться общими штаммами Wolbachia. Другие источники пищи для насекомых также могут опосредовать горизонтальный перенос Wolbachia, например, совместное использование навозных куч двумя видами малагасийских навозников.
Шаг 2: выживание и размножение в новом хозяине
Молекулярные паттерны, связанные с патогенами (PAMP) в бактериях, такие как пептидогликан, могут активировать врожденные иммунные ответы организма-хозяина. В ответ на это некоторые штаммы Wolbachia обладают уникальной функциональной пептидогликановой амидазой (AmiDwol), которая расщепляет их бактериальную клеточную стенку, позволяя им избегать иммунных ответов. Помимо пептидогликанов, перемещение Wolbachia из клетки в клетку также может вызывать окислительный стресс у хозяина и запускать его иммунный ответ. Поэтому Wolbachia имеет трехслойную вакуоль, которая действует как механический барьер, защищая ее от клеточных иммунных реакций, и затем использует транс-овариальную транспортную систему вителлогенина хозяина для проникновения в яйцеклетку. После попадания Wolbachia в зиготу, им необходимо достичь важных тканей хозяина, не нарушая развитие эмбриона. Это достигается за счет использования цитоскелета хозяина, посредством связывания белка Wolbachia WD0830 с актиновыми филаментами хозяина. Они также могут увеличивать скорость деления стволовых клеток зародышевой линии для локализации и повышения своей концентрации. В естественных условиях успешная вертикальная передача Wolbachia представляет собой сложную задачу.
Шаг 4: распространение в пределах популяции-хозяина
Вторжение новой популяции, вероятно, обусловлено специфическими фенотипическими эффектами, включая репродуктивные манипуляции и/или непосредственное повышение приспособленности самок-хозяек. Попадая в нового хозяина, Wolbachia может сохранять свои изначальные фенотипические эффекты, индуцировать иной фенотип или не оказывать обнаружимого воздействия. Например, штамм, вызывающий гибель самцов у моли Cadra cautella, индуцировал цитоплазматическую несовместимость у нового хозяина – моли Ephestia kuehniella.
Преимущества фитнеса при инфекциях Wolbachia
Инфекция вольбахией связана с вирусной устойчивостью у Drosophila melanogaster, Drosophila simulans и видов комаров. Мухи, включая комаров, инфицированные этими бактериями, более устойчивы к РНК-вирусам, таким как вирус Drosophila C, норовирус, вирус flock house, вирус паралича сверчков, вирус чикунгунья и вирус Западного Нила. У обычного домашнего комара более высокие уровни вольбахии коррелируют с повышенной устойчивостью к инсектицидам. У листоедов вида Phyllonorycter blancardella бактерии Wolbachia помогают хозяевам формировать зеленые участки на желтеющих листьях деревьев – небольшие области, остающиеся свежими, что позволяет хозяевам продолжать питаться и развиваться до взрослой стадии. Личинки, обработанные тетрациклином, который уничтожает вольбахию, теряют эту способность, и в дальнейшем лишь 13% успешно превращаются во взрослых мотыльков. Мускидифуракс унираптор, паразитоидная оса, также получает выгоду от присутствия бактерий Wolbachia. У паразитических филяриальных нематод, вызывающих слоновую болезнь, таких как Brugia malayi и Wuchereria bancrofti, вольбахия стала обязательным эндосимбионтом, обеспечивая хозяина химическими веществами, необходимыми для размножения и выживания. У клопов Cimex lectularius штамм вольбахии cCle помогает хозяину синтезировать витамины группы B. Некоторые штаммы вольбахии увеличили свою распространенность, повышая плодовитость своих хозяев. Штаммы вольбахии, выделенные в 1988 году в южной Калифорнии, до сих пор вызывают снижение плодовитости, но в настоящее время это снижение заменяется преимуществом в плодовитости: инфицированные Drosophila simulans производят больше потомства, чем неинфицированные особи.
Последствия инфекции Wolbachia в истории жизни
Вольбахия часто манипулирует размножением хозяина и жизненным циклом таким образом, чтобы способствовать собственному распространению. У муравьев фараона инфекция вольбахией связана с увеличением производства репродуктивных особей на уровне колонии (то есть, большей репродуктивной отдачей) и более ранним началом репродуктивной деятельности (то есть, более коротким жизненным циклом). Инфицированные колонии также, по-видимому, растут быстрее. Существуют значительные доказательства того, что присутствие вольбахий, вызывающих партеногенез, оказывает давление на виды, заставляя их размножаться преимущественно или исключительно этим способом. Кроме того, было показано, что вольбахия сокращает продолжительность жизни Aedes aegypti, переносчиков болезней, передаваемых комарами, и снижает их способность к передаче патогенов, поскольку более старые комары с большей вероятностью становятся носителями этих заболеваний. Это используется как метод борьбы с вредителями.
Генемика
Первым определенным геномом Wolbachia был геном штамма wMel, инфицирующего плодовых мух *D. melanogaster*. Секвенирование этого генома было проведено в Институте геномных исследований в сотрудничестве Джонатана Эйзена и Скотта О’Нилла. Вторым определенным геномом Wolbachia был геном штамма wBm, инфицирующего нематод *Brugia malayi*. В настоящее время ведутся проекты по секвенированию геномов нескольких других штаммов Wolbachia.
Горизонтальный перенос генов
Виды вольбахии также содержат бактериофаг, называемый бактериофагом WO или фагом WO. Сравнительный анализ последовательностей бактериофага WO предоставляет одни из наиболее убедительных примеров масштабной горизонтальной передачи генов между коинфекциями Wolbachia у одного и того же хозяина. Это первый бактериофаг, установленная роль которого заключается в частой латеральной передаче между геномами бактериальных эндосимбионтов. Передача генов посредством бактериофагов может приводить к значительным эволюционным изменениям в геномах внутриклеточных бактерий, которые ранее считались высокостабильными или склонными к потере генов со временем. При использовании ДНК-штрихкодирования для идентификации видов мух рода Protocalliphora, несколько различных морфовидов имели идентичные последовательности гена цитохром c оксидазы I, что, вероятнее всего, произошло в результате горизонтальной передачи генов (HGT) видами Wolbachia при переходе между видами хозяев. В результате, Wolbachia может приводить к ошибочным результатам в молекулярных кладистических анализах. По оценкам, от 20 до 50 процентов видов насекомых демонстрируют признаки HGT, происходящего от Wolbachia – передачу генетического материала от микробов к животным (то есть насекомым).
Малая РНК
Небольшие некодирующие РНК WsnRNA 46 и WsnRNA 59 в бактерии Wolbachia были обнаружены у комаров Aedes aegypti и мух Drosophila melanogaster. Эти малые РНК (sРНК) могут регулировать гены бактерий и хозяина. Высококонсервативный внутригенный участок sРНК, названный ncrwmel02, также был идентифицирован у Wolbachia pipientis. Он экспрессируется в четырех различных штаммах по регулируемому паттерну, который различается в зависимости от пола хозяина и локализации в тканях. Это указывает на то, что sРНК может играть важную роль в биологии Wolbachia.
Роль в паразитах
Помимо насекомых, вольбахия заражает различные виды изоподов, пауков, клещей и множество видов филяриальных нематод (тип паразитических червей), включая тех, которые вызывают онхоцеркиоз (речную слепоту) и слоновость у людей, а также дирофиляриоз у собак. Эти филяриальные черви не только инфицированы вольбахией, но и вольбахия, по-видимому, играет непропорционально важную роль в развитии этих заболеваний. Значительная часть патогенности филяриальных нематод обусловлена иммунным ответом организма-хозяина на присутствующую в них вольбахию. Удаление вольбахии из филяриальных нематод обычно приводит к их гибели или стерильности. Поэтому современные стратегии борьбы с болезнями, вызываемыми филяриальными нематодами, направлены на устранение их симбиотической вольбахии с помощью простого антибиотика доксициклина, а не на прямое уничтожение нематод часто более токсичными антинематодными препаратами.
Профилактика заболеваний
Естественно существующие штаммы вольбахии показали себя как путь для стратегий контроля переносчиков благодаря их присутствию в популяциях членистоногих, таких как комары. Уникальные свойства вольбахии, вызывающие цитоплазматическую несовместимость, делают некоторые штаммы полезными для человека в качестве промотора генетического драйва в популяции насекомых. Самки, инфицированные вольбахией, способны производить потомство с неинфицированными и инфицированными самцами; однако, неинфицированные самки способны производить жизнеспособное потомство только с неинфицированными самцами. Это дает инфицированным самкам репродуктивное преимущество, которое возрастает с увеличением частоты вольбахии в популяции. Вычислительные модели предсказывают, что введение штаммов вольбахии в естественные популяции снизит передачу патогенов и уменьшит общую заболеваемость. Примером является штамм вольбахии, сокращающий продолжительность жизни, который можно использовать для борьбы с вирусом денге и малярией путем устранения более старых насекомых, содержащих больше паразитов. Содействие выживанию и размножению молодых насекомых снижает селекционное давление, способствующее развитию устойчивости. Кроме того, некоторые штаммы вольбахии способны напрямую снижать репликацию вируса внутри насекомого. Для денге это штаммы wAllbB и wMelPop в сочетании с *Aedes aegypti*, wMel – с *Aedes albopictus* и *Aedes aegypti*. Также было установлено, что вольбахия ингибирует репликацию вируса чикунгунья (CHIKV) в *A. aegypti*. Штамм wMel *Wolbachia pipientis* значительно снизил уровень инфицирования и распространения CHIKV у комаров по сравнению с неинфицированными контрольными группами, и то же явление наблюдалось при инфекции вирусом желтой лихорадки, что делает эту бактерию перспективным средством для подавления вирусов YFV и CHIKV. Вольбахия также ингибирует секрецию вируса Западного Нила (WNV) в клеточной линии Aag2, полученной из клеток *A. aegypti*. Механизм несколько необычен, поскольку бактерии фактически усиливают производство вирусной геномной РНК в этой клеточной линии. Кроме того, противовирусный эффект у интраторакально инфицированных комаров зависит от штамма вольбахии, а репликация вируса у комаров, получающих вирус перорально, была полностью ингибирована штаммом wMelPop вольбахии. Влияние инфекции вольбахией на репликацию вируса в насекомых-хозяевах сложно и зависит от штамма вольбахии и вида вируса. Хотя несколько исследований показали устойчивые рефрактерные фенотипы инфекции вольбахии к РНК-вирусам с положительной полярностью у *Drosophila melanogaster*, комара *Aedes aegypti*, переносчика желтой лихорадки, и азиатского тигрового комара *Aedes albopictus*, этот эффект не наблюдается при инфекции ДНК-вирусами и вирусами с двухцепочечной ДНК. В настоящее время также нет данных о том, что инфекция вольбахией ограничивает какие-либо протестированные РНК-вирусы с отрицательной полярностью, что указывает на неэффективность вольбахии в ограничении арбовирусов, передаваемых членистоногими, с РНК с отрицательной полярностью. Инфекция вольбахией также может повысить устойчивость комаров к малярии, как показано на примере *Anopheles stephensi*, где штамм wAlbB вольбахии препятствовал жизненному циклу *Plasmodium falciparum*. Однако инфекции вольбахией также могут усиливать передачу патогенов. Вольбахия усилила несколько арбовирусов у комаров *Culex tarsalis*. В другом исследовании частота заражения вирусом Западного Нила (WNV) была значительно выше у *C. tarsalis*, инфицированных вольбахией (штамм wAlbB), по сравнению с контрольными группами. Вольбахия может индуцировать активацию Toll-пути (семейства генов), зависящую от активных форм кислорода, что необходимо для активации антимикробных пептидов, дефензинов и цекропинов, которые помогают ингибировать пролиферацию вируса. Напротив, некоторые штаммы фактически подавляют этот путь, что приводит к более высокой репликации вирусов. Примером является штамм wAlbB у *Culex tarsalis*, где инфицированные комары чаще переносили вирус Западного Нила (WNV). Это связано с тем, что wAlbB ингибирует REL1, активатор противовирусного иммунного пути Toll. Поэтому перед выпуском искусственно инфицированных комаров в окружающую среду необходимо провести тщательные исследования штамма вольбахии и экологических последствий. В 2014 году WMP выпустила инфицированных комаров в Таунсвилле, австралийском городе с населением 187 000 человек, страдающем от лихорадки денге. В течение четырех лет после введения случаев заболевания лихорадкой денге зарегистрировано не было. Испытания проводились на гораздо меньших площадях, но на большей территории не проводилось. Неблагоприятных экологических последствий не было выявлено. Стоимость составила 15 австралийских долларов на человека, но предполагалось, что в более бедных странах с более низкой стоимостью рабочей силы ее можно будет снизить до 1 доллара США. В 2016 году ученый WMP Скотт Ритчи предложил использовать комаров wMel для борьбы с распространением вируса Зика. В исследовании сообщалось, что вольбахия wMel способна блокировать вирус Зика в Бразилии. В октябре 2016 года было объявлено о выделении 18 миллионов долларов США на использование комаров, инфицированных вольбахией, для борьбы с вирусами Зика и денге. Развертывание запланировано на начало 2017 года в Колумбии и Бразилии. В период с 2016 по 2020 год WMP провела свое первое рандомизированное контролируемое исследование в Джокьякарте, индонезийском городе с населением около 400 000 человек. В августе 2020 года ведущий индонезийский ученый исследования Ади Утарари объявила, что исследование показало снижение заболеваемости лихорадкой денге на 77% по сравнению с контрольными районами. Это исследование стало "наиболее убедительным доказательством" эффективности данной методики. В 2017–2019 годах WMP выпустила комаров в Нитерой, Бразилия. В марте 2023 года бразильский Фонд Осуалдо Круса подписал соглашение с WMP о предоставлении финансирования для создания крупной "фабрики комаров", производящей инфицированных насекомых.
Несовместимость мужского пола
Другой метод использования Wolbachia у комаров основан на цитоплазматической несовместимости между инфицированными самцами и неинфицированными самками. Если неинфицированная самка спаривается с инфицированным самцом, ее яйца становятся бесплодными. При выпуске достаточного количества инфицированных самцов популяция комаров временно сократится. Национальное агентство по окружающей среде Сингапура объединилось с Verily для разработки усовершенствованного и более эффективного способа выпуска самцов комаров, инфицированных Wolbachia, в рамках второй фазы исследования по подавлению городской популяции комаров Aedes aegypti и борьбе с лихорадкой денге. 3 ноября 2017 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) зарегистрировало компанию Mosquito Mate, Inc. для выпуска самцов комаров, инфицированных штаммом Wolbachia "ZAP", в 20 штатах США и округе Колумбия.