Геном вшей раскрывает тайны редких состояний и биобезопасности в сельском хозяйстве
Вши всю жизнь живут с набором генов, который у человека указывал бы на позднюю стадию дегенеративного расстройства, такого как болезнь Паркинсона или Альцгеймера.
Как вши переносят эту структуру генома, которая у людей и многих других животных привела бы к серьёзным нейродегенеративным проблемам? «Нам ещё далеко до того, чтобы соединить эти точки», — говорит Стивен Кэмерон, профессор энтомологии Университета Пердью.
Болезни Паркинсона и Альцгеймера — это возрастные митохондриальные заболевания, названные так из-за неправильной работы митохондрий, производящих клеточную энергию.
«Если у животных развивается неврологическое расстройство слишком рано, у них не будет потомства», — отмечает Кэмерон. — «У вшей, кажется, это есть с момента вылупления. Они явно справляются с этим и справлялись в течение 50 миллионов лет».
Последнее десятилетие принесло поток данных по митохондриальной геномике вшей и других насекомых. Эти данные укрепляют исследования, связанные с правильной идентификацией и классификацией видов насекомых, а также с разработкой инсектицидов, действующих на митохондрии. Вши, в свою очередь, предлагают модель для изучения влияния эволюции на нейродегенеративные заболевания.
Количество секвенированных митохондриальных геномов насекомых выросло на 876% с 2014 года, в то время как общее количество видов увеличилось на 790%. Статья Кэмерона «Митохондриальная геномика насекомых: десятилетие прогресса» вышла в Annual Review of Entomology. Подобную статью он публиковал в 2014 году.
Митохондрии помогают организмам перерабатывать кислород и пищу, что подвержено естественному отбору. «И всё же у нас поразительно мало примеров исследований, которые действительно принимают это во внимание», — говорит Кэмерон.
Технологии секвенирования, используемые сегодня, только становились доступными в 2014 году. С тех пор технологии улучшились, а стоимость резко упала. Кэмерон секвенировал свой первый геном в 2002 году. Задача заняла шесть месяцев ежедневной лабораторной работы и стоила $4000.
«За эти деньги сейчас я мог бы сделать сотни», — говорит он. — «Секвенирование генетического масштаба в наши дни просто невероятно эффективно».
Сегодня аспиранты Кэмерона делают больше геномного анализа за неделю, чем он за два года работы постдоком. Кэмерон в общих чертах сравнил геометрическую скорость роста с законом Мура — идеей о том, что количество транзисторов на компьютерном чипе удваивается примерно каждые два года.
Его новый обзорный обзор определил геномную фрагментацию и дупликацию контрольного региона как важные на данный момент темы исследований. Энтомологи рассматривают геномную фрагментацию — распад ДНК на более мелкие фрагменты — как модельную систему для изучения неврологических заболеваний.
«Это редкость. Всё редкое заставляет задуматься, почему», — отмечает Кэмерон. — «Обычно, когда всё идёт одним путём, это потому, что эволюция держит это в узде. Она ограничена. Так почему же это ограничение против фрагментированных геномов снимается в случае со вшами?»
Некоторые данные свидетельствуют о том, что в крайних случаях фрагментация может приносить пользу небольшим инбредным популяциям, позволяя организму избавляться от вредных форм своего митохондриального генома. Это может относиться к вшам, которые состоят из небольших инбредных популяций.
Кэмерон проводит исследования как фрагментации у вшей, так и дупликации генетических контрольных регионов у типа крылатых насекомых — трипсов. Мелкие и трудно идентифицируемые, трипсы иногда разрастаются до крупных инвазий, поражающих теплицы и полевые культуры.
Молекулярная диагностика может помочь идентифицировать вредителя, но изменения в его митохондриальном геноме делают это более сложным у трипсов, чем у других типов насекомых.
«Мы пытаемся разработать более совершенные методы, которые позволят нам более надёжно использовать ДНК-разграничение видов, которое затем может быть использовано карантинными службами для защиты от проникновения вредителей в Америку или другие регионы», — говорит он.
Исследования митохондриального генома также могут способствовать разработке методов борьбы с вредителями, действующих путём модификации метаболизма насекомых. «Большинство пестицидов являются нейротоксинами, поэтому они не взаимодействуют напрямую с митохондриями».
Идентификация насекомых имеет как научные, так и экономические последствия. Почти все идентификации насекомых с использованием молекулярных данных выполняются с помощью метода митохондриальной ДНК.
В 1990-х и начале 2000-х годов южноамериканские плодовые мушки, которым удавалось избежать раннего обнаружения и идентификации, проникали в коммерческие фрукты. Это может повториться с появлением новых сельскохозяйственных регионов в глобальной системе производства.
Биобезопасность в сельском хозяйстве может получить прогностическую выгоду от лучшего геномного понимания насекомых-вредителей, отмечает Кэмерон. Такая работа сейчас параллельна исследованиям коронавируса, последовавшим за вспышкой тяжёлого острого респираторного синдрома (SARS) 20 лет назад. Когда в 2020 году разразилась пандемия COVID-19, биомедицинские исследователи смогли быстро отреагировать.
Он также отметил формирующийся массив исследований о влиянии экстремальных сред, таких как высокогорье и пустынные условия, на геномы насекомых. Результаты затем можно будет применить к различным методам, предназначенным для контроля их популяций.
«Хорошо знать, к чему их биология позволит им эволюционировать, чтобы понимать лазейки, которые эволюция для них предусматривает», — говорит он. — «И, с учётом изменения климата, эти аспекты способствуют нашему пониманию того, как полезные насекомые могут реагировать на меняющуюся среду».