Бывший токсин внутриклеточной бактерии защитил дрозофил от паразитоидов

Горизонтальный перенос генов позволил плодовым мухам дрозофилам настроить врожденный иммунный ответ против паразитоидных насекомых. Энтомологи и молекулярные биологи из США и Венгрии обнаружили в геноме мух Drosophila ananassae гены токсинов, родственных дизентерийному, изначально принадлежавшие бактериофагу мушиных внутриклеточных бактерий. За 21 миллион лет гены встроились в систему регуляции мушиного иммунного ответа и получили защиту от атаки клеток дрозофил. В эксперименте белки показали себя специфичными и эффективными средствами для борьбы с паразитоидными орехотворками рода Leptopilina. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Когда млекопитающие сталкиваются с паразитами, у них включается одновременно врожденный иммунитет и адаптивный ответ на базе иммуноглобулинов. Благодаря соматической гипермутации позвоночные располагают широким ассортиментом белковых рецепторов к потенциальным патогенам.

У мух дрозофил, вредителей плодовых культур, тоже есть паразиты (и даже паразитоиды), но антител — нет. Так что если инвазия состоялась, то в процесс борьбы с инвазией включаются гемоциты и их ферменты, продуцирующие активные формы кислорода.

Кроме того, у насекомых есть специфичные антипаразитарные белки, вызывающие лизис клеток паразитоида. Такие белки, как правило, направлены на узкий спектр паразитов. В появлении столь специфической защиты большую роль играет горизонтальный перенос генов, помогающий насекомым быстро (по меркам эволюции) получать новые белки от внутриклеточных бактерий или от вирусов (об их значении для профилактики тропических инфекций мы рассказывали в новости).

Если личинка мухи заражена одновременно облигатной внутриклеточной бактерией и паразитоидом (к примеру, личинкой осы-наездника), то интересы двух паразитических видов противоречат друг другу. Ведь чтобы такая бактерия продолжила существовать, личинка должна дорасти до взрослой стадии и размножиться — только тогда внутриклеточные паразиты передадутся потомству. Но если в личинке развивается паразитоид, то она умрет, не доросши до стадии имаго. Сложную картину взаимодействия дополняют еще и фаги, существующие в клетках бактерий, у которых тоже есть свой геном и потенциал горизонтального переноса генов.

Генетики и энтомологи из Венгрии и США во главе с Ноа Уайтманом (Noah Whiteman) из Калифорнийского университета в Беркли проанализировали, как устроена защита от паразитоидных орехотворок рода Leptopilina у мух-дрозофил. Было известно, что в гемолимфе традиционных модельных объектов Drosophila melanogaster есть клетки-ламеллоциты, участвующие в образовании капсулы вокруг яйца паразитоида и генерирующие активные формы кислорода. Но у их родственников, D. ananassae, эта система не работает, а клетки, инкапсулирующие паразитоида, не способны запускать окислительный взрыв. Тем не менее, D. ananassae способны защищаться от инвазии.

Группа Уайтмана уже обнаружила у дрозофил гены cdtB и aip56, кодирующие A-B2-токсин, известный также у бактерий родов Hamiltonella и Arsenophonus, эндопаразитов насекомых. Обычно такие токсины вызывают лизис эукариотических клеток: к этой же группе токсинов относятся шигатоксин. Данные кладистики показали, что эти гены-ортологи cdtB и aip56 стали частью генома дрозофил около 21 миллиона лет назад, и за это время они успели приобрести такие элементы регуляции экспрессии, характерные для эукариотического генома.

Сейчас невозможно точно установить, имел ли место прямой горизонтальный перенос от фага в животную клетку, или же он произошел через посредство генома бактерии, но в общей сложности в геноме D. ananassae были найдены следы трех случаев переноса генов: один ген, гомологичный активной субъединице cdtB, и две копии химерных последовательностей cdtB и aip56. У всех трех генов была обнаружена экспрессия: пик активности ортолога cdtB наступал на стадии личинки, а активность двух химерных генов росла по мере развития.

Если содержать дрозофил совместно с паразитоидными орехотворками Leptopilina boulardi, то экспрессия химерных cdtB::aip56 вырастала после инвазии на несколько порядков.

Продукт химерного белка, изначально неактивен, но судя по результатам реакции иммунофлуоресценции, подвергается расщеплению на две части, из которых активная (паралог CdtB) обнаруживалась в гемолимфе мухи и на поверхности паразитоида. До расщепления Aip56 маскирует каталитический домен CdtB — благодаря этому токсин не поражает клетки самой дрозофилы, а активация токсина происходит уже на поверхности орехотворки.

Ученые при помощи геномного редактирования создали нокаутные по трем генам линии D. ananasae, и содержали их вместе с представительницами трех разных видов лептопилин. Выживаемость мутантных мух после атаки была ниже, а эффективность размножения ос была выше, чем в контрольной группе.

Таким образом, неспецифический цитотоксин патогенных бактерий за несколько десятков миллионов лет превратился в часть иммунной системы на службе потенциальных жертв этих бактерий. Более того, как предполагают доктор Уайтман с коллегами, CdtB, активный у эмбрионов дрозофилы, может оказывать и плейотропные эффекты на развитие и устойчивость к паразитоидам.

О горизонтальном переносе генов мы рассказывали в материале «Поверх барьеров». Насекомые могут получать такие гены не только от бактерий, но и от растений. Но вирусы не только делятся «своими» генами, но и получают их от эукариот — в частности, от паука черной вдовы.