Гусеницы позаимствовали у вирусов белки для убийства наездников

Биологи обнаружили, что вирусы, заражающие гусениц, убивают личинок своих конкурентов — наездников из подсемейства микрогастрин — с помощью особых белков. Более того, некоторые гусеницы в результате горизонтального переноса позаимствовали у вирусов гены таких белков и начали производить их самостоятельно для борьбы с паразитоидами. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Science.

Жизнь гусениц полна опасностей. Им угрожают не только хищники, но и разнообразные паразиты, паразитоиды и инфекции. Например, на гусеницах паразитируют личинки многих ос-наездников, постепенно съедающие хозяев заживо. Кроме того, будущие бабочки страдают от целого ряда вирусов, некоторые из которых быстро убивают своих жертв, а другие развиваются в них постепенно. Поскольку наездники и вирусы конкурируют за один и тот же ресурс (личинкам наездников плоть гусеницы позволяет расти, а вирусам — производить новые копии), им приходится учиться уживаться друг с другом или вступать в эволюционную гонку вооружений. Так, зоологам известны случаи, когда осы используют прирученные вирусы, чтобы подавлять иммунитет хозяев.

Команда специалистов, которую возглавила Мадока Накаи (Madoka Nakai) из Токийского университета сельского хозяйства и технологий, описала неизвестный ранее аспект взаимоотношений гусениц, наездников и вирусов. В ходе экспериментов с восточными луговыми совками (Mythimna separata) исследователи выявили, что личинки наездников-браконид Cotesia kariyai плохо выживают и развиваются в гусеницах, зараженных видоспецифичным энтомопоксвирусом (Mythimna separata entomopoxvirus; MySEV). Для сравнения, в свободных от этого вируса особях C. kariyai не сталкиваются ни с какими проблемами. При этом на личинок Meteorus pulchricornis, другой вид наездников-браконид, паразитирующий на восточных луговых совках, MySEV никак не влияет.

Очищенная от вирусных частиц гемолимфа из организма гусеницы, зараженной MySEV, оказалось токсичной для личинок C. kariyai, а также некоторых других наездников из подсемейства Microgastrinae: Apanteles glomeratus, Microplitis manilae, Cotesia ruficrus и Apanteles adoxophyesi. Вид M. pulchricornis относится к подсемейству Euphorinae, и для его личинок гемолимфа инфицированных вирусом гусениц оказалась неопасной.

Накаи и ее соавторам удалось установить, что личинок наездников-микрогастрин губит конкретный белок массой 28 килодальтон, который был обнаружен в гемолимфе зараженных энтомопоксвирусом гусениц. Они назвали его фактором убийства паразитоидов (parasitoid killing factor, PKF). Позднее в жировом теле инфицированных M. separata авторы выявили белок массой 54 килодальтона, который, вероятно, является предшественником того, что циркулирует в гемолимфе.

На следующем этапе исследователи обнаружили, что белки, гомологичные PKF, характерны для трех групп вирусов с двуцепочечной ДНК: Ascoviridae, Baculoviridae и Entomopoxvirinae. У каждой разновидности вируса может быть от одного до пяти антипаразитоидных белков. Присутствие генов, кодирующих гомологи PKF, также было выявлено в геномах гусениц отдельных видов чешуекрылых. Судя по всему, они получили эти гены в ходе нескольких независимых случаев горизонтального переноса от вирусов (обмен генами, ответственными за производство PKF, также происходил и между вирусами). На это указывает тот факт, что, в то время как PKF родственных вирусов имеют между собой много общего, PKF разных видов бабочек сходны с PKF разных вирусов. Например, антипаразитоидные белки бабочек из родов Helicoverpa и Heliothis напоминают белки бакуловирусов. А у бабочек Trichoplusia ni, Mamestra configurata и трех видов из рода Spodoptera PKF более разнообразны и напоминают PKF вирусов из всех трех упомянутых выше групп.

Чтобы проверить, насколько PKF других вирусов вредны для наездников, Накаи и ее коллеги заразили гусениц восточной луговой совки асковирусом HvAV-3j, который характерен для гусениц Heliothis virescens. Судя по генетическому анализу, этот вирус может производить три антипаразитоидных белка. Как и ожидали авторы, вирус мешал развитию личинок C. kariyai, но не наносил никакого ущерба M. pulchricornis. Гемолимфа зараженных HvAV-3j гусениц Spodoptera litura также оказалась токсичной для наездников-микрогастрин, но не для эуфорин и ихневмонид (Ichneumonidae).

Выделив из гусениц Mamestra configurata два вида альфа-бакуловирусов, MacoNPV-A и MacoNPV-B, исследователи получили по несколько штаммов каждого из их. Некоторые штаммы содержали гены-кандидаты, вероятно ответственные за производство PKF, а некоторые нет. Затем гусеницам Trichoplusia ni, зараженным наездниками Cotesia vanessae, вводили разные штаммы альфа-бакуловирусов. В результате в особях, которым вводили штаммы с генами-кандидатами, личинки паразитоидов росли значительно хуже. Дополнительный анализ показал, что за этот эффект отвечает конкретный ген orf57.

Затем Накаи с соавторами обратились к бабочкам, способныv самостоятельно производить PKF. Они сосредоточили внимание на представителях рода Spodoptera, у которых два необходимых для этого гена экспрессируются на всех стадиях жизненного цикла и во всех основных тканях гусениц. Как показали эксперименты, наездники C. kariyai не способны развиваться в гусеницах сподоптер — но эуфорины M. pulchricornis успешно в них паразитируют. Обработка очищенной от гемоцитов гемолимфой Spodoptera exigua погубила 90 процентов личинок C. kariyai. Однако гемолимфа, взятая у гусениц, которым отключили один из генов, отвечающих за синтез PKF, оказалась для этих наездников намного менее опасной (отключение гена pkf1 снизило смертность сильнее, чем отключение pkf2). Более того, когда ученые смешали гемолимфу двух гусениц, у каждой из которых был отключен один из двух генов, производящих PKF, смертность у обработанных личинок наездников перестала отличаться от контрольной. Интересно, что обработка гемолимфой S. exigua немного повышала смертность наездников M. pulchricornis. Впрочем, этот эффект не зависел от того, работают ли гены pkf1 и pkf2, так что он не связан с белками PKF.

На последнем этапе авторы попытались выяснить, как именно белки PKF убивают наездников. Для этого они обработали клетки C. kariyai очищенной от вирусных частиц гемолимфой восточных луговых совок, которые был заражены MySEV. Это привело к фрагментации ДНК и апоптозу клеток паразитоидов. Для сравнения, на клетки наездников M. pulchricornis обработка гемолимфой зараженных гусениц не повлияла. Похожий эффект произвела гемолимфа S. exigua, вырабатывающих PKF самостоятельно. Таким образом, PKF губят наездников-микрогастрин и не дают им развиваться, вызывая у них апоптоз.

По мнению Накаи и ее коллег, вирусы используют антипаразитоидные белки, чтобы снизить конкуренцию за гусениц с наездниками из подсемейства Microgastrinae. Это выгодно для наездников из других групп, которые невосприимчивы к PKF, ведь благодаря вирусам у них становится меньше конкурентов. Возможно, такие наездники даже состоят с вирусами в своеобразном эволюционном сговоре, ведь именно они переносят от гусеницы к гусеницы вирусы из группы асковирусов, вырабатывающие PKF. При этом некоторые бабочки смогли позаимствовать вирусные гены, ответственные за производство антипаразитоидных белков, и встроили их в свой геном для борьбы с наездниками. Ранее считалось, что иммунитет насекомых в основном направлен на уничтожение недавно отложенных яиц паразитоидов, однако новое открытие свидетельствует, что по крайней мере у некоторых гусениц также есть способы противостоять уже вылупившимся из яиц личинкам наездников.

Ранее мы рассказывали о том, как самцы наездников-птеромалид научились по запаху находить куколок мух, под защитной оболочкой которых скрываются готовые к вылету самки этого вида паразитоидов. Обнаружив такую куколку, самцу остается лишь дождаться, когда из нее выберутся женские особи, и спариться с ними.

Сергей Коленов