Ученые раскрыли, как вирус захватывает сперму насекомых: это может помочь в борьбе с переносчиками болезней и вредителями

Бактерия Wolbachia, широко распространенная в природе, и вирус, который она несет, могут вызывать стерильность у самцов насекомых, захватывая их сперму и предотвращая оплодотворение яйцеклеток самок, у которых нет такой же комбинации бактерии и вируса.

Новое исследование, проведенное под руководством специалистов по микробиомам из Университета Пенсильвании, раскрыло, как эта микробная комбинация манипулирует спермой. Это открытие может привести к усовершенствованным методам контроля популяций сельскохозяйственных вредителей и насекомых, переносящих такие болезни, как Зика и денге.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Wolbachia живет симбиотически в репродуктивных тканях около 50% видов насекомых, включая некоторых комаров и мух. В ее геном интегрированы гены вируса профага WO. Эти гены — cifA и cifB — позволяют бактерии манипулировать спермой и быстро распространяться в популяции насекомых.

Когда спариваются самец и самка, оба имеющие Wolbachia, они успешно размножаются и передают бактерию потомству. Но если самец с Wolbachia спаривается с самкой без бактерии, его сперма становится летальной для оплодотворенных яиц. Эта система увеличивает долю потомства с Wolbachia в следующем поколении.

Как это используется?

• Для контроля популяций вредителей выпускают самцов с Wolbachia, что приводит к краху популяции.
• Wolbachia также блокирует патогенные РНК-вирусы (Зика, денге, чикунгунья). Выпуск самцов и самок комаров с бактерией в регионе приводит к замене популяции на комаров, которые не могут передавать вирусные болезни. Всемирная программа по борьбе с комарами уже использует этот метод в 11 странах.

Механизм воздействия на сперму

Белки, кодируемые генами профага WO, нарушают критическое преобразование в развитии сперматозоида, когда его геном переупаковывается, а форма меняется с "каноэ" на игольчатую. Этот переход высоко консервативен — от насекомых до человека.

Исследователи обнаружили, что сперма, подвергшаяся воздействию Wolbachia или белков Cif, имеет повышенный уровень повреждения ДНК на этой стадии. Если повреждение не устраняется вовремя, это приводит к аномальной упаковке генома спермы, мужскому бесплодию и нежизнеспособности эмбрионов.

Ключевая роль длинных некодирующих РНК

Ученые выяснили, что белки Cif могут расщеплять молекулы-посредники — длинные некодирующие РНК (long non-coding RNA). Эти РНК сами не кодируют белки, но profoundly влияют на регуляцию работы других генов, необходимых для развития спермы.

Эксперименты на плодовых мушках с Wolbachia показали, что бактерия или белки Cif снижают количество этих РНК. Мутантные мушки с пониженной экспрессией таких РНК в сочетании с Wolbachia демонстрировали повышенный уровень нежизнеспособности эмбрионов.

Вывод: вирусные белки контролируют сперму, истощая запасы длинных некодирующих РНК, необходимых для ее нормальной функции. Гены профага WO действуют как "кукловоды", манипулируя развитием спермы.

Перспективы

Понимание этого процесса может дать представление о проблемах бесплодия у людей, а также информировать о новых методах контроля вредных популяций насекомых. Ученые планируют использовать эти знания для улучшения существующих методов борьбы с переносчиками болезней и вредителями, а в долгосрочной перспективе — возможно, воспроизвести эту технику без использования Wolbachia или вирусных белков.