Исследование целенаправленного захвата грибом-кукловодом зомби-мух
В новом исследовании, опубликованном в eLife, ведущий автор Кэролайн Эля, постдокторант кафедры организменной и эволюционной биологии Гарварда, раскрывает молекулярные и клеточные механизмы, лежащие в основе способности паразитического гриба Entomophthora muscae (E. muscae) манипулировать поведением плодовых мух.
Эля впервые описала манипулируемое поведение, названное "забиранием на высоту" (summiting), в исследовании 2018 года в eLife. Во время учебы в аспирантуре Калифорнийского университета в Беркли, изучая микробы, переносимые плодовыми мухами, она выставила гниющие фрукты, чтобы поймать диких мух. Вместо этого она обнаружила мертвых "зомби-мух" с характерным рисунком на брюшке, застывших в необычной позе. Экстракция и секвенирование ДНК подтвердили причину — заражение E. muscae.
"Забирание на высоту" происходит на закате: зараженные мухи взбираются на возвышенность, вытягивают хоботок к поверхности, и липкая капля, появляющаяся из хоботка, приклеивает муху к поверхности. Затем крылья поднимаются, и муха умирает.
"Взбирание очень важно, так как оно позиционирует муху в выгодном месте для распространения гриба на максимально возможное количество новых хозяев", — говорит Эля. Гриб формирует временные структуры, которые прорывают кожу мухи и выстреливают спорами в окружающую среду. Этот процесс длится всего несколько часов, поэтому выгодная позиция критична для выживания гриба.
В Калифорнийском университете Эля разработала лабораторную модель — систему "зомби-муха" Entomophthora muscae–Drosophila melanogaster, используя дикий изолят гриба, найденный у нее во дворе. Эта система позволила постоянно заражать плодовых мух (лабораторный стандарт) и культивировать гриб независимо от хозяина.
Хотя "забирание на высоту" ранее описывалось в литературе, исследования были лишь наблюдениями за мертвыми комнатными мухами. Никто не наблюдал за поведением мух в последние часы жизни. Эля восполнила этот пробел, разработав высокопроизводительный поведенческий анализ для автоматического отслеживания сотен зараженных мух. Это привело к неожиданному открытию.
"Мы обнаружили, что 'забирание на высоту' — это не просто взбирание, а всплеск локомоторной активности, который начинается примерно за два с половиной часа до смерти мух", — сказала Эля.
С этим открытием Эля и соавторы объединили ее систему с мощным генетическим инструментарием плодовой мушки, чтобы идентифицировать гены и нейроны, необходимые для такого поведения.
"В целом, мы обнаружили, что гормональные оси мухи опосредуют это поведение. Когда мы "замолчали" эти нейроны, мухи были очень плохи в 'забирании на высоту'", — говорит Эля. Эти нейроны посылают проекции в нейрогемальный орган, который производит ювенильный гормон, консервативный у насекомых. "Мы считаем, что гриб активирует эти нейроны, чтобы стимулировать выброс этого гормона, что и вызывает у мух всплеск двигательной активности".
Затем авторы собрали набор поведенческих данных сотен зараженных мух и использовали его для обучения компьютера идентифицировать мух во время "забирания на высоту". Этот классификатор позволил команде обнаружить, что клетки гриба организованно проникают в мозг мухи, занимая определенные его области во время этого поведения.
Интересно, что команда также обнаружила, что гемато-энцефалический барьер мухи нарушается при воздействии гриба. В норме нейроны защищены от циркулирующей в теле мухи гемолимфы ("крови"). Нарушение этого барьера имеет важные последствия для того, с чем контактируют нейроны, потенциально позволяя веществам из гемолимфы взаимодействовать с нейронами мозга, что открывает путь для модуляции нейронной активности.
"Мы думаем, что это может быть важно для того, как гриб вызывает изменения в поведении, — сказала Эля. — И мы фактически обнаружили, что можно взять гемолимфу у мух, демонстрирующих такое поведение, ввести ее наивным мухам и вызвать у них часть этого повышенного движения. Таким образом, мы показали, что существует по крайней мере частичная возможность воспроизвести это поведение просто путем переливания гемолимфы".
Эля отмечает, что эти эксперименты показывают, что некоторые факторы в гемолимфе могут вызывать поведение "забирания на высоту", хотя пока не ясно, что это за факторы и кто их производит — гриб или муха.
Эля надеется в дальнейшем разработать трансгенные методы для модуляции процессов со стороны гриба, в дополнение к уже возможным манипуляциям с мухами. "Здесь еще много открытых вопросов, — говорит она. — То, что делает гриб, все еще остается загадкой".