Расшифровка геномов постельных клопов раскрывает причины их невероятной устойчивости к инсектицидам
Ученые составили практически полные и безошибочные геномы восприимчивого штамма постельного клопа и суперштамма, устойчивость которого к инсектицидам примерно в 20 000 раз выше. Это исследование дает наиболее полное на сегодняшний день представление о полном спектре мутаций, вызывающих устойчивость.
Результаты опубликованы в журнале Insects.
Хотя нет доказательств, что постельные клопы (Cimex lectularius) переносят болезни на людей, их укусы могут вызывать зудящую сыпь и вторичные кожные инфекции. Широкое использование инсектицидов, включая ныне запрещенный DDT, почти уничтожило популяции этих кровососущих насекомых к 1960-м годам. Однако за последние 20 лет мир стал свидетелем их возрождения, отчасти из-за мутаций устойчивости, которые они развили к этим химикатам.
Устойчивость может возникать разными механизмами, например, за счет выработки ферментов, детоксицирующих инсектициды (метаболическая резистентность), или за счет утолщения внешних покровов (резистентность проникновения). Предыдущие исследования выявили некоторые мутации и экспрессию генов, связанные с устойчивостью, но полный масштаб мутаций оставался неизвестным, так как ни одно исследование не секвенировало полный геном устойчивых штаммов.
Исследовательская группа под руководством профессора Хидэмасы Боно из Хиросимского университета секвенировала геномы восприимчивого и устойчивого штаммов из Японии. Восприимчивый штамм произошел от диких клопов, собранных 68 лет назад в Нагасаки. Устойчивый штамм был выведен из образцов, собранных в отеле Хиросимы в 2010 году.
Тесты показали, что устойчивые образцы обладали в 19 859 раз более сильной резистентностью к пиретроидам — наиболее часто используемым инсектицидам против клопов, — превосходя уровни многих ранее известных суперштаммов.
Сборка геномного «пазла»
Для создания наиболее полных на сегодня геномов клопов исследователи использовали метод длинного чтения (long-read sequencing), который захватывает длинные участки ДНК. Традиционное короткое чтение (short-read sequencing) охватывает лишь короткие фрагменты, что часто приводит к пробелам.
Ученые собрали почти полную картину двух геномов, достигнув 97,8% полноты и качества (QV) 57,0 для восприимчивого штамма и 94,9% полноты и QV 56,9 для устойчивого. QV выше 30 указывает на высококачественные последовательности с частотой ошибок менее 0,1%. Оба генома превзошли по показателю N50 существующий референсный геном Clec2.1, что означает меньше пробелов и более полные участки.
Выявлены известные и новые мутации устойчивости
После полного секвенирования команда идентифицировала белок-кодирующие гены, определила их функции и оценила их активность с помощью транскрипционного анализа. Было обнаружено 3 938 транскриптов с несовпадениями аминокислот. Из них 729 мутировавших транскриптов были связаны с устойчивостью к инсектицидам.
«Мы определили последовательность генома устойчивых к инсектицидам постельных клопов... и идентифицировали 729 транскриптов со специфичными для устойчивости мутациями», — сказал первый автор исследования Коухэй Тога.
«Эти транскрипты включали гены, связанные с ответом на повреждение ДНК, регуляцией клеточного цикла, метаболизмом инсулина и функциями лизосом. Это предполагает, что эти молекулярные пути могут играть роль в развитии устойчивости к пиретроидам».
Опираясь на предыдущие исследования насекомых, ученые подтвердили известные мутации устойчивости и обнаружили новые, что может помочь в разработке более целенаправленных и эффективных стратегий борьбы с вредителями.
«Мы определили большое количество генов, вероятно, вовлеченных в устойчивость к инсектицидам, многие из которых ранее не были связаны с устойчивостью у клопов. Редактирование генома этих генов может дать ценную информацию об эволюции и механизмах резистентности», — отметил Тога.
«Кроме того, это исследование расширяет пул генов-мишеней для мониторинга распределения аллелей и изменения их частоты, что может значительно помочь в оценке уровня устойчивости в диких популяциях».