Борьба с болезнями, передаваемыми комарами, такими, как лихорадка Денге или вирус Западного Нила, исторически была трудной из-за отсутствия эффективных вакцин и озабоченности по поводу воздействия инсектицидов на окружающую среду. Таким образом, ученые обратились к манипулированию с Wolbachia, паразитарной бактерии внутри комаров, как способу контроля репродуктивной пригодности популяций комаров, передающих болезни человека.
В рамках нового исследования Nature Communications международная группа, включающая ученых из Marine Biological Laboratory (MBL) и Чикагского Университета, выявила новый мобильный элемент ДНК в Wolbachia, который может способствовать совершенствованию стратегий борьбы с болезнями, переносимыми комарами.
Под руководством Жюли Ревейо из INRA, Франция, и Сары Борденштейн из Университета Вандербильта исследователи реконструировали почти полные геномы Wolbachia, выделенные из отдельных яичников четырех комаров Culex pipiens. В процессе они идентифицировали новую плазмиду — круглый фрагмент ДНК, который может реплицироваться независимо от хромосом. Плазмида — это подвижный элемент ДНК, то есть она может переходить из одной клетки в другую и может иметь большое значение для приспособленности и эволюции микробного вида. Из-за способности мобильных генетических элементов распространяться через различные клетки Wolbachia и, таким образом, через популяцию Wolbachia, они обещают контролировать популяции комаров, которые могут нести болезнь.
«Наши данные показывают, что эта новая плазмида широко распространена среди естественных популяций Wolbachia, которые заражают комаров C.pipiens по всему миру, что означает, что она играет важную роль. Идея о том, что это может привести к трансформации популяций Wolbachia, является крайне интересной», — говорит старший автор исследования А. Мурат Эрен (Meren), доцент медицины в Чикагском университете и сотрудник MBL.
Wolbachia передается от матери потомству и может влиять на репродуктивное поведение своего хозяина-комара. Wolbachia может модифицировать сперму, так что если инфицированный самец спаривается с неинфицированной самкой или с той, которая несет другой штамм Wolbachia, эмбрионы не могут развиваться. Механизм этого эмбрионального убийства лежит в другом подвижном генетическом элементе в геноме Wolbachia.
«На земле население не поддаются прямой генетической модификации. Хотя естественная плазмида звучит очень многообещающе, чтобы обойти эти ограничения, у нас пока нет никаких доказательств, чтобы предположить возможность или эффективность любой трансформации через эту плазмиду», — говорит Мерен. «Мы только что обнаружили его существование, и время покажет, насколько он полезен.»
«Другие интересные вопросы, на которые у нас пока нет четких ответов, включают существует ли наследственная связь между плазмидой и другими мобильными генетическими элементами Wolbachia, и взаимодействуют ли они или нет», — добавляет Ревейо.
Это сотрудничество началось в MBL в 2011 году, когда Мерен и Reveillaud объединили свои вычислительные и молекулярные эволюционные предпосылки для изучения вопросов микробной экологии в центре MBL Bay Paul. Годы спустя они начали изучать геномное разнообразие Wolbachia, сосредоточившись на отдельных комарах, пойманных в дикой природе, а не используя лабораторные штаммы комаров. С помощью бывших ученых MBL Сары Борденштейн и Сета Борденштейна из Университета Вандербильта, которые имеют опыт работы в Wolbachia, они начали распутывать тонкости генома Wolbachia.
«Wolbachia особенно трудно изучать, потому что, в отличие от свободноживущих бактерий, его нельзя культивировать в бесклеточных средах. Благодаря этому междисциплинарному сотрудничеству мы смогли разделить геномы хозяина комаров Wolbachia и его мобильных элементов», — говорит Сара Борденштейн.
В то время как фрагменты этой новой плазмиды появлялись в предыдущих исследованиях последовательности Wolbachia, эти фрагменты никогда не были собраны в полный круглый кусок, и его экстрахромосомная природа не была признана, скорее всего, из-за вычислительных ограничений. Команда смогла преодолеть эти ограничения благодаря использованию комбинации передовых стратегий, таких, как метагеномика расшифровки генома (genome-resolved metagenomics) и длительная последовательность считывания (long-read sequencing).
«Ключевая платформа биоинформатики, которая позволила нам изучить метагеномы комаров и пангеномы Wolbachia в этом исследовании, а также связи между учеными с различными навыками, которые сделали это открытие возможным, были разработаны в MBL», — говорит Мерен. «Почти все в этой статье так или иначе связаны с MBL.»
Источник: Marine Biological Laboratory