Læs genomet af den mest blodtørstig flyve i verden • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, Parasitologi, Entomologi

Læs genomet af de mest blodtørstige fluer i verden

Tsetse flyve Glossina morsitans. Foto af G. M. Attardo for Tsetse Genome Biology Collection

Et internationalt forskergruppe har gennemført tsetse flygenom sekvensering. Glossina morsitans, vektor af trypanosomiasis – en farlig sygdom hos mennesker og husdyr. Tsetse-fluen er en af ​​de vigtige faktorer, der hæmmer den økonomiske og sociale udvikling i landene i det tropiske Afrika. De genomiske data afklarede det molekylære genetiske grundlag for mange unikke træk ved tsetse-fluen, såsom en streng bloddiæt, levende fødsel, pattedyr og symbiose med tre typer bakterier. Disse oplysninger vil hjælpe med at finde "sårbarheder" af tsetse-flyve, hvilket er nødvendigt for at udvikle effektive midler til at bekæmpe det.

Tsetse flyve er kendt som bærer af parasitiske protozoer – trypanosomer (se Trypanosoma), kausative midler af afrikansk trypanosomiasis eller sovesyge. Vaccinen mod denne dødelige sygdom kunne ikke skabe, og de tilgængelige lægemidler har stærke bivirkninger. Selv om forekomsten af ​​sovesyge i de senere år er blevet reduceret, er trypanosomiasis, der også spredes af tsetsefluen, fortsat et alvorligt problem for landene i det tropiske Afrika, hvilket gør dyrkningen usammenhængende eller umulig på mange områder (se Animal trypanosomiasis).

At læse tsetse flygenomet giver os håb om udvikling af effektive metoder til bekæmpelse af dette skadelige insekt. En international gruppe af forskere (se International Glossina Genome Initiative) rapporterede om læsning og første resultater af genomanalysen. Glossina morsitans i en serie af 11 artikler i magasiner PLoS (Public Library of Science) og i en synteseartikel i Videnskab.

Tsetse flyveområdet. Billede fra synopsis E. Pennisi, 2014. Genom udbytter spor til Tsetse Flys mærkelige og dødelige måder

Tsetse flyve har en række unikke funktioner, som du kan "fange" når du udvikler foranstaltninger til bekæmpelse af det, især hvis genomanalysen giver dig mulighed for at sortere det molekylære genetiske grundlag af disse usædvanlige træk.

I modsætning til andre blodsugende insekter, ikke kun kvinder, men også mænd Glossina fodre udelukkende på blodet af pattedyr. Hvis almindelige fluer lægger snesevis og hundredvis af æg, så hunner Glossina føde en stor larve, klar til hvalpning. I løbet af dets lange (ved tidspunktet for det grønsomme standard) liv kan kvinden have tid til at føde op til 8-10 larver; Hver graviditet varer cirka 10 dage. Udviklingen i moderens organisme føler larven på mælk, som produceres i særlige brystkirtler. De udviklede sig fra tilbehørskirtlerne, som er almindelige hos kvinder af almindelige insekter, men tjener til mere prosaiske formål,såsom produktion af æggeskaller komponenter.

Størrelsen af ​​tsetse flygenomet er 366 millioner basepar, der er cirka dobbelt så store som i Drosophila. Samtidig har rækkefølgen af ​​genernes placering i begge flues kromosomer meget til fælles. Forskellen i genomets størrelse skyldes længere "meningsløse" fragmenter (introner og intergeniske huller) i tsetse sammenlignet med drosophila. Mobile elementer udgør 14% af tsetse-genomet og kun 3,8% af Drosophila. Alt dette skyldes sandsynligvis den tsetse-flyves lave fecunditet og lavere effektive befolkning, hvilket igen fører til en svækkelse af rensningsudvalget, der fjerner "ekstra" sider fra genomet (se M. Lynch, JS Conery, 2003. The Oprindelse af genomkompleksitet).

Som en professionel blodsukker har en tsetse-fly et omfattende repertoire af specialiserede gener, der virker i spytkirtlerne og koder for proteiner, der gør blodsugning mere effektiv. Disse proteiner tillader især ikke blod til at størkne og undertrykke offerets immunrespons. Sættet af sådanne proteiner i tsetse er meget større end for andre blodsugende insekter. Som det viste sig, i fluer inficeret med trypanosomer undertrykkes aktiviteten af ​​mange af disse gener i spytkirtlerne,derimod er ekspression af gener relateret til stressrespons og reparation af beskadigede celler øget. Det ser ud til, at trypanosomer beskadiger spytkirtlerne og forstyrrer generne af en inficeret flue for at forlænge blodgennemstrømningen og dermed øge sandsynligheden for, at et pattedyr indtræder i blodet.

Tsetse viste et mere omfattende repertoire af aquaporiner proteiner end andre insekter, som tjener til hurtig overførsel af vand gennem cellemembraner. Aquaporiner er nødvendige for blodsugende flyve, for det første at pumpe overskydende vand fra det fulde blod, og for det andet – at fortynde udskillelsen af ​​brystkirtlerne i mælkeproduktionen. Deaktivering af aquaporiner gener fører til en længere graviditet, det vil sige en forsinkelse i udviklingen af ​​larverne, hvilket har negativ indflydelse på kvindens fecunditet.

I genomet af tsetse-fluen er der et stort sæt mælkeproteingener, der i deres egenskaber og funktioner ligner meget pattedyrsmælkeproteiner. Blandt dem er især emulgatorer af fedtstoffer, kilder til aminosyrer og bærere af phosphatgruppen. Mange gener af mælkeproteiner blev dannet i tsetse forfædre ved duplikationer.

Forfatterne undersøgte i detaljer reguleringen af ​​genekspression af mælkeproteiner.Det viste sig, at disse proteiner kun syntetiseres i brystkirtlerne, og produktionsniveauet er tæt forbundet med graviditetsfasen: Jo større larven er, desto mere mælkeproteiner producerer kvinden. Krænkelse af syntesen af ​​mælkeproteiner fører enten til forsinket udvikling af larven eller til abort, og den tidligt fødte larve dør. Forfatterne var i stand til at identificere regulatoriske område (enhancer) af genet for hovedmælkproteinet (mælkeglandprotein 1, mgp1), på grund af hvilket genekspression der kun udføres i brystkirtlerne og tilpasser sig til reproduktionscyklus fase. For at studere egenskaberne af den detekterede forstærker forbød forskerne det med genet LacZ (se Reporter-genet) og med det grønne fluorescerende protein-gen, og de resulterende konstruktioner blev indsat i Drosophila-genomet. Eksperimenter har vist, at den regulerende sekvens af tsetsefluen giver udtryk for genet under kontrol i Drosophila kun i tilbehørskirtlerne (hvorfra tsetse-brystkirtlen stammer) og kun i aktivt avl af kvinder. Det reguleringssystem, som kontrollerer syntesen af ​​mælkeproteiner, viste sig således at være evolutionært konservativ: tsetse fluer "opfandt" det ikke, men arvede det fra æglægning af forfædre.Forfatterne kunne også identificere genet kodende for det regulatoriske protein (transkriptionsfaktor), som interagerer med den detekterede enhancer. Det viste sig at være et homeobox gen Ladybird sent (LBL). Kunstig reduktion af ekspression LBL fører til et fald i produktionen af ​​mælkeproteiner, hvilket negativt påvirker frugtbarheden hos tsetse kvinder. således LBL – Praktisk "mål" for udvikling af nye midler til styring af nummeret Glossina.

Under amning tegner generne for de 12 vigtigste mælkeproteiner halvdelen af ​​alle transkriptionelle aktiviteter i kvindens krop. Massiv proteinsyntese under amning skaber en trussel mod oxidativ stress, som den gravide flyver klare, og øger produktionen af ​​specielle antioxidant enzymer (se antioxidant enzymer). Afbrydelse af generne af disse enzymer fører til det faktum, at kvindens fecunditet med hver graviditet falder hurtigt, mens det normalt ikke viser tegn på reproduktiv aldring indtil fødslen af ​​8-10 efterkommere. Således er antioxidantenzymgener en anden specifik "sårbarhed" af tsetse-fluen.

Repertoaret af gener, der er ansvarlig for metaboliseringen af ​​kulhydrater, viste tsetse sig at være kraftigt reduceret sammenlignet med andre fluer,som er direkte relateret til hendes blod diæt. Indholdet af sukker og glykogen i vævene Glossina ekstremt lavt. Desuden var der ikke engang receptorer af sød smag blandt smagsknopperne af tsetse-flyet (som selvfølgelig ikke alle normale insekter forringer kulhydratfødevarer). I et sæt proteiner forbundet med metabolisme har en tsetse-fly en række ligheder med andre blodsukker.

Som mange andre insekter med specialiseret kost udgør tsetse manglen på essentielle næringsstoffer og vitaminer ved at arbejde med symbiotiske bakterier, der overføres fra moder til barn. Den vigtigste tsetse symbiont er bakterien Wigglesworthiabeboer cellerne i et specielt organ – bakteriom og kanaler i brystkirtlen. Uden denne symbiont slutter de fleste graviditeter i abort, det vil sige, at kvindens fecunditet falder kraftigt. genom Wigglesworthia indeholder de gener, der er nødvendige til syntese af vitaminer i gruppe B, hvorimod Glossina der er kun gener nødvendige til deres transport. Naturligvis giver symbioten værten med vitaminer.

En anden symbiont af tsetse flyve arvet gennem moderlinjen er bakterien Wolbachia, lever hovedsagelig i gonaderne. Det forårsager den såkaldte cytoplasmatiske inkompatibilitet i fluer (seCytoplasmisk inkompatibilitet, det vil sige døden af ​​afkom fra at krydse en inficeret mand med en uinficeret kvinde. På denne måde reducerer bakterien fecunditeten hos uinficerede kvinder, hvilket indirekte giver den reproduktive fordel til inficerede kvinder, som overfører wolbachia til deres afkom. Dette er en tilpasning af bakterien, der bidrager til dens accelererede spredning i værtsbefolkningen.

Forfatterne fandt i tsetse-genomet tre indlejrede fragmenter af Wolbachia-genomet (for andre tilfælde af Wolbachia-genoverførsel til værtsgenomet, se: Dyrudvekslingsgener med parasitiske bakterier, Elements, 5. september 2007). Bakterieindsatser transskriberes ikke, men kan spille en rolle i genregulering: dette problem kræver separat undersøgelse. Derudover var der i tsetse-flygenomet indlejrede virale gener karakteriseret ved bracovid-rider-viraerne (se ryttere og deres vira, se: Ryttere undertrykker deres ofrees immunforsvar ved hjælp af tamede vira, Elements, 19 februar 2009). Mest sandsynligt betyder det, at på tsetse flyver nogle ukendte ryttere parasitere (eller parasiterer tidligere). Denne kendsgerning åbner en anden mulig retning for udviklingen af ​​"biologiske våben" mod vektoren af ​​sovesygdom.

Den tredje symbiont af tsetse flyve, bakterie SodalisDet findes i alle væv i fluen såvel som i fordøjelseskanalen. Disse symbionter er interessante, fordi de synes at påvirke sandsynligheden for flipinfektion med trypanosomer. bakterier Sodalis producerer enzymet chitinase, hvilket krænker integriteten af ​​den peritrofe membran, som bidrager til penetrationen af ​​trypanosom fra beruset blod ind i insektets væv. Forfatterne bemærker, at genetisk modifikation af bakterier kan være en af ​​måderne at bekæmpe trypanosomiasis på. Sodalis. For eksempel, hvis symbionter bliver frataget deres evne til at producere chitinase, bør infektion af fluer med trypanosomer falde. Desuden i genomet Sodalis Du kan indsætte gener af beskyttende proteiner (for eksempel antistoffer), der selektivt angriber trypanosomer i luftens tarm (se: L. De Vooght et al., 2012. Nanobody in Sodalis glossinidius, en bakteriel symbiont af tsetse flyve).

Bakterie symboler af tsetse flyve. Wolbachia (røde cirkler) er lokaliseret i æggestokkene (æggestokke). Wigglesworthia (grønne pinde) lever i cellerne i et specielt organ – bakteriomet (bacteriome) og i brystkanalerne (mælkekirtlen). Sodalis (blå pinde) findes i alle væv og i fordøjelseskanalen (Fordøjelseskanalen). Intrauterin larve – larve, der udvikler sig i livmoderen hun har sin egen bakterie (Larval bakteriom) med symbionter Wigglesworthia, arvet fra moderen. Figur fra resuméartikel i Videnskab

Reformatet af immunforsvarsgenene i tsetsefluen var meget ringe i forhold til frugtflugten. Dette kan for det første forklares ved et mindre antal patogene mikrober i blodet af pattedyr sammenlignet med Drosophila's mad (rottende frugter), og for det andet ved behovet for at bevare intakt den vitale symbiote Wigglesworthia. For andre insekter med obligatoriske bakterielle symbioner (for eksempel bladlus) er det dårlige repertoire af antibakterielle proteiner også karakteristiske.

Forfatterne har udarbejdet en detaljeret liste over tsetse fly receptor-proteiner. Nøjagtige data om, hvad dufter, smag og farver, som flyve opfatter, skal hjælpe med udviklingen af ​​forskellige lokkemad og fælder. Det viste sig, at tsetse har færre olfaktoriske receptorer end andre insekter med læse genomer (frugt fluer, myg, bier). Dette er logisk, i betragtning af tsetse-flyets strenge fødevarepræferencer og den smalle cirkel af værter, hvis blod det kan spise. Sandt nok er en olfaktorisk receptor af Drosophila, hvis arbejde er forbundet med valget af kvindelig seksuel partner, repræsenteret af Glossina hele seks paraloger.Betyder det at tsetse kvinder er mere kræsne, når de vælger en partner? Dette ville være logisk set i betragtning af det store moders bidrag til afkom.

Som andre hurtigtflyvende Diptera har tsetsefluen, som dømmer af genomet, en fremragende vision, tilpasset den effektive søgning efter bytte (og hos mændene – også til søgen efter kvinder). Farvesyn er baseret på fire lysfølsomme proteiner – opsins, hvoraf den ene er indstillet til blåt lys. Dette er i overensstemmelse med det faktum, at tsetse fluer tiltrækker alle blues (en omstændighed vigtig for udvikling af fælder).

Således har den allerførste overfladiske analyse af tsetse-flygenetomet afsløret en række "sårbarheder" i et skadeligt insekts biologi. Forhåbentlig vil denne viden først bidrage til endelig at besejre sovesyge og for det andet at klare dyre trypanosomiasis, hvilket radikalt skal forbedre udsigterne for økonomisk og social udvikling af lande i tropisk Afrika. Det er sandt, at erfaringerne med at bekæmpe malaria og andre farlige sygdomme, der overføres af insekter, viser, at det ikke er værd at regne med hurtig succes: læsning af transportørens genom (og selvfølgelig selve årsagsmediet: Trypanosoma brucei blev læst i 2005) – dette er kun et nødvendigt første skridt. Stien fra genomiske data til effektive midler til at kontrollere antallet af insekter er desværre langt og vanskeligt.

kilder:
1) 11 artikler om tsetse genomanalyse, Tsetse Genome Biology Collection, i en række tidsskrifter PLoS (Public Library of Science).
2) En synteseartikel i Videnskab: J. Watanabe et al. (International Glossina Genome Initiative). Genomsekvens af Tsetse FlyGlossina morsitans): Vektor af afrikansk trypanosomiasis // Videnskab. 2014. V. 344, s. 380-386.
3) Synopsis: E. Pennisi. Genom udbytter spor til Tsetse Flys mærkelige og dødelige måder // Videnskab. 2014. V. 344, s. 349-350.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: