Эволюционная "гонка вооружений": как дельфины и киты противостоят угрозам заболеваний

Дельфины, киты и другие китообразные подвержены многим опасностям для здоровья, как и люди, включая ртуть, бреветоксин (например, "красный прилив") и лобомикоз. Они также служат важными видами-индикаторами, указывающими на проблемы, актуальные для экологии и общественного здравоохранения. Однако понимание того, как эти водные млекопитающие борются с болезнетворными патогенами, адаптируются к меняющимся угрозам и как запускаются их иммунные ответы, было сложной задачей.

Две недавние работы исследователей из Флоридского Атлантического университета (FAU) показывают, как китообразные конкурируют за выживание в эволюционной "гонке вооружений" с меняющимися сообществами патогенов. По мере изменения патогенных угроз и риска инфекционных заболеваний киты и дельфины должны адаптироваться. Вопрос сегодня в том, успевают ли они адаптироваться достаточно быстро?

Стратегии иммунного ответа

В новаторском исследовании, опубликованном в PLOS One, учёные из Института океанографии Харбор-Бранч FAU обнаружили, что китообразные используют несколько стратегий для успеха в этой эволюционной гонке.

Иммунный ответ у позвоночных опосредуется набором быстро эволюционирующих генов, называемых главным комплексом гистосовместимости (MHC). MHC действует как система раннего предупреждения против патогенов, которая не только подаёт сигнал тревоги, но и активирует вооружённый ответ. Для этого белки MHC должны уметь отличать "своих" от "чужих" на молекулярном уровне. По аналогии с механизмом "замка и ключа", индивидуальный MHC-"замок" должен уметь связываться с пептидным "ключом" патогена, чтобы запустить защитную последовательность.

Команда FAU обнаружила, что китообразные не только сохраняют генетическое разнообразие в типах "замков" (конформации связывающих карманов, которые помогают запустить иммунный ответ), но и отбирают разнообразие в способах регуляции производства множества необходимых "замков". MHC регулируется, чтобы предотвратить как чрезмерную активность (когда иммунная система может атаковать собственные клетки), так и недостаточную активность (когда иммунная система не реагирует достаточно быстро или сильно на реальную угрозу).

"Это первая попытка в популяциях китообразных использовать как конформацию MHC, так и регуляторную генетическую изменчивость в качестве ранних индикаторов восприимчивости к заболеваниям", — сказала ведущий автор исследования Хайди Дж. Т. Пейган, доктор философии.

Новый маркерный подход и идентификация угроз

Пейган и её коллеги хотели разработать более комплексную систему маркеров MHC для китообразных, объединив традиционные методы и методы секвенирования нового поколения для генотипирования. Они применили эту систему для изучения эволюционных и демографических сил, формирующих разнообразие MHC у дельфинов в контрастных эстуарных и морских местообитаниях.

Объединив эти генетические данные с иммунопротеомным подходом, разработанным доктором Коллетт Т. Дули в Институте молекулярных исследований Торри-Пайнс, исследователи получили гораздо более полную картину того, как киты и дельфины продолжают адаптироваться к своей текущей патогенной среде.

Дули применила иммуногенетические и иммунопротеомные методы, а также модельные комбинаторные библиотеки, чтобы выяснить, какие типы пептидов ("ключей") способен распознавать MHC, обнаруженный у эстуарных и прибрежных афалин во Флориде. Затем она использовала биоинформатику, чтобы определить, какие микроорганизмы, вероятно, производят эти сигнатурные молекулы.

"Впервые у нас есть чёткое представление о вовлечённых патогенах, и теперь у нас есть дорожная карта для исследовательских групп, работающих с другими видами, включая людей", — сказала Дули, опубликовавшая эти выводы с командой FAU в PLOS One в августе.

Фокус на популяциях Флориды

Афалины обитают в прибрежных водах вдоль атлантического побережья Флориды, а также в ряде эстуариев, заливов и лагун, включая 256-километровую эстуарную систему лагуны Индиан-Ривер (IRL). Было обнаружено, что прибрежные популяции демографически и генетически отличаются от ряда этих заливных и лагунных популяций, хотя также была задокументирована некоторая генетическая примесь и перемещение особей.

Химическое загрязнение, высокий приток питательных веществ, пониженная солёность, потеря среды обитания морских трав и эвтрофикация — всё это привело к плохому качеству среды обитания в системе эстуария IRL. Для нескольких видов китообразных была задокументирована разница между популяциями и даже индивидуальная восприимчивость к заболеваниям, что часто связывают с концентрациями иммуносупрессивных загрязнителей.

Инструменты для оценки рисков и будущие задачи

"С этими прорывами у нас наконец-то есть инструменты, чтобы помочь специалистам по управлению дикой природой и здравоохранению оценить риск заболеваний с точки зрения того, как отдельные животные "спроектированы" для распознавания молекул микроорганизмов в окружающей среде и запуска иммунного ответа", — сказал руководитель исследовательской группы Грег О'Корри-Кроу, доктор философии.

В 2013 году необычное количество атлантических афалин погибло вдоль восточного побережья Флориды вплоть до Флорида-Кис. Однако дельфины в Мексиканском заливе не пострадали. Это навело исследователей на мысль, что множественные факторы могут влиять на пространственную вариацию передачи заболеваний и затрагивать соседние популяции в разной степени.

"Хотя мы многое узнали о вариациях в типах "замков", которыми обладают популяции позвоночных, до сих пор мы очень мало знали о конформации патогенных "ключей", — сказал О'Корри-Кроу. — Эта проблема стала огромным препятствием в применении исследований разнообразия MHC к реальным оценкам способностей диких популяций справляться с угрозами заболеваний".