Хромосомные инверсии помогают малярийным комарам адаптироваться
Как им это удается? В недавней работе международная группа ученых проанализировала собранный за 28 лет обширный материал (всего было изучено 35 618 комаров!). В фокусе внимания была проверка гипотезы о том, что адаптироваться к различным условиям комарам помогают распространенные у них хромосомные инверсии, фиксирующие полезные мутации. Гипотезу удалось подтвердить, а также показать, что распространение инверсий связано с такими факторами как широта и уровень осадков.
Самка малярийного комара Anopheles gambiae и ее гигантские политенные хромосомы, выделенные из клеток стенки яичника. Такие крупные хромосомы существенно облегчают изучение хромосомной изменчивости, в том числе инверсий. Инверсии легко можно выявить под микроскопом, окрасив хромосомы по специальной методике. На фото-карте хромосом цифрами и заглавными буквами обозначено деление каждой хромосомы на отделы, положение некоторых инверсий обозначено маленькими буквами (j, b, c, bk, u, d, a). Рисунок из статьи Phillip George et al., 2010. High-resolution cytogenetic map for the African malaria vector Anopheles gambiae. Фото комара с сайта uniprot.org
Многие, собираясь в тропики, справедливо опасаются малярийных комаров рода Anopheles — переносчиков малярии. Сама малярия вызывается паразитическими простейшими из рода Plasmodium. А малярийные комары являются переносчиками этой болезни: возбудители попадают в кровь при укусе самки комара (как и у наших настоящих комаров рода Culex, кровь пьют только самки). В настоящее время малярия является серьезной проблемой во многих тропических регионах, особенно в Африке к югу от Сахары. Дело осложняется тем, что до сих пор нет коммерческой вакцины против этого заболевания. Так что самым распространенным способом профилактики остается прием в небольших дозах противомалярийных препаратов, использующихся и при лечении этого заболевания. Однако такие препараты в целом вредны. К счастью, малярийные комары активны только ночью (в отличие от комаров Culex), поэтому иногда бывает достаточно просто спать под надежным противомоскитным пологом или сеткой.
Попытки разработать противомалярийную вакцину предпринимаются уже давно. И определенные успехи есть. Например, всего два месяца назад, в феврале 2017 года, в журнале Nature вышла статья международного коллектива ученых, разработавших вакцину PfSPZ-CVac — модификацию более ранней PfSPZ. По мнению авторов (подтвержденному в ходе предварительного тестирования), она способна обеспечить почти 100% защиту от малярии и, что важно, не имеет побочных эффектов (см. В. Mordmüller et al. 2017. Sterile protection against human malaria by chemoattenuated PfSPZ vaccine). Конечно, требуется более обширная проверка действенности этой вакцины.
Не менее важны и различные способы борьбы с самими комарами. К примеру, во времена СССР комплекс мероприятий позволил фактически полностью искоренить малярию в южном Таджикистане. Наиболее эффективным оказался выпуск в водоемы нильской тиляпии (Oreochromis niloticus), рыбы из семейства цихлид, которая может питаться личинками комаров. В тропиках же подобные меры редко приносят положительный результат. Одна из причин этого в том, что здесь бок о бок могут жить сразу несколько видов Anopheles, по-разному адаптированных к среде обитания и различающихся особенностями экологии. В отличие от тиляпии, которая, к примеру, не может обитать в луже или влажной грязи. Как же комарам удается адаптироваться к широкому спектру условий? Есть ли у них какие-то специфические особенности, обеспечивающие такую экологическую пластичность?
В 1970–1980-х годах итальянский ученый Марио Колуцци вместе с коллегами предположил, что основой адаптаций служат хромосомные инверсии, по непонятной пока причине очень распространенные у малярийных комаров, по крайней мере, в Африке. Дело в том, что инверсии могут ограничивать генетическую изменчивость, «фиксируя» полезные мутации. В пределах считавшегося тогда единым видом Anopheles gambiae (сейчас его считают комплексом из нескольких близких видов) было обнаружено несколько хромосомных форм, имеющих различные наборы инверсий. Оказалось, что каждая из этих форм приурочена к той или иной климатической зоне, например, к саванне или дождевому лесу (M. Coluzzi et al. 1985. Chromosomal inversion integradation and incipient speciation in Anopheles gambiae). То есть инверсии могут помогать комарам адаптироваться к разным условиям. Получить эти результаты исследователям сильно помогло наличие у малярийных комаров политенных хромосом. Эти хромосомы возникают в некоторых специализированных клетках в результате многократной репликации ДНК и конъюгации хроматид (см. Синапсис). В итоге образуется множество копий каждого гена — что может быть весьма полезным для некоторых специализированных клеток. У малярийных комаров политенные хромосомы имеются в клетках стенки яичника, снабжающих питательными веществами созревающие яйца (рис. 1).
Хромосомные инверсии и их роль в эволюции
Хромосомная инверсия — это мутация, в результате которой участок хромосомы поворачивается на 180°. Потом это изменение сохраняется в череде поколений.
Получаться инверсии могут таким образом. В геноме (и, соответственно, в хромосомах) значительную часть составляет ДНК, никаких генов не кодирующая. Основной ее компонент — это повторенные последовательности, в том числе мобильные элементы. Мобильные генетические элементы способны копироваться и встраиваться в разные участки генома. Соответственно, в геноме данного организма может быть множество копий конкретного мобильного элемента. Бывает так, что в одной хромосоме находятся два одинаковых, но ориентированных в противоположные стороны, мобильных элемента. Если во время мейоза они сблизятся, произойдет рекомбинация, которая приведет к повороту на 180° участка, находящегося между ними (рис. 1). Это и будет инверсия.
Схема образования инверсии путем рекомбинации в повторенных последовательностях. Черным цветом обозначен участок инверсии, красным и желтым — повторенные последовательности в противоположной ориентации. Рисунок из статьи П. А. Бородин, А. А. Торгашева, 2011. Хромосомные инверсии в клетке и в эволюции
В большинстве случаев инверсии не влияют на фенотип. Ведь гены-то остаются теми же самыми, а их положение в хромосоме меняется не очень сильно. Наиболее ярко инверсии проявляют себя при мейозе. Представим, что происходит рекомбинация между двумя гомологичными (сходными) хромосомами, одна из которых нормальная, а вторая содержит инверсию (организм с такими хромосомами называется гетерозиготным по инверсии). Обмен (кроссинговер) между ними приведет к потере одних участков у одной хромосомы и удвоению тех же участков — у другой (рис. 2). Гаметы, несущие такие «ненормальные» хромосомы, как правило, нежизнеспособные. Если же кроссинговер не затронет инвертированного участка, гаметы будут жизнеспособны. Это приводит к тому, что у гетерозиготных по инверсии организмов нет потомков, рекомбинантных по генам, находящимся в инвертированном участке (то есть инверсия передается из поколения в поколение в неизменном виде). Это явление называют запиранием кроссинговера.
Продукты кроссинговера у гетерозигот по инверсии. При гомологичной рекомбинации образуется инверсионная петля. Если в инверсионной петле произойдет один рекомбинационный обмен (как и происходит чаще всего: два или более обменов очень редки), образуется две нормальные хроматиды и две хроматиды с утерянными и удвоенными участками. Содержащие их гаметы, как правило, нежизнеспособны. Фиолетовыми кружочками обозначены центромеры. Рисунок из статьи П. А. Бородин, А. А. Торгашева, 2011. Хромосомные инверсии в клетке и в эволюции
Запирание кроссинговера может играть важную роль как в адаптации популяции к тем или иным условиям среды, так и в видообразовании. С одной стороны, рекомбинация очень нужна и полезна — ведь она создает новые сочетания генов, которые потенциально могут быть полезными. Но с другой стороны, та же рекомбинация может «разрушить» полезные, уже опробованные отбором сочетания. Запирание кроссинговера позволяет сохранить такие полезные комбинации генов. А значит, потенциально может повышать адаптацию организмов к локальным условиям среды.
Тем не менее, идея о роли хромосомных инверсий в повышении адаптивных возможностей малярийных комаров явно нуждается в дополнительной проверке, ведь выдвинута она была в ходе исследований относительно небольшого материала. Этим и занялась международная группа ученых из Европы и Африки. Впечатляет проанализированный ими массив данных. Комаров отлавливали в течение 28 лет, с 1979 по 2007 годы, в деревнях 27 африканских стран. За все время удалось поймать и, главное, изучить хромосомы 35 618 особей четырех видов малярийных комаров: Anopheles gambiae, An. сoluzzii, An. аrabiensis, An. funestus (рис. 2). Эти комары — наиболее частые переносчики малярии в тропической Африке. В фокусе исследования были 23 самые распространенные хромосомные инверсии.
Рис. 2. Карта Африки с основными типами ландшафтов, в которых обитают малярийные комары. Показана также локализация деревень, где отлавливали комаров: Anopheles gambiae — желтым, An. coluzzii — красным, An. arabiensis — синим, An. funestus — серым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution
Исследователи изучили связь каждого типа хромосомной инверсии с рядом параметров среды, где данный комар был отловлен, — уровнем осадков, среднегодовой температурой, высотой над уровнем моря, вегетационным индексом NDVI (отражающим обилие зеленой растительности), а также широтой и долготой.
Выяснилось, что большинство типов хромосомных инверсий связано с широтой и уровнем осадков (но не с другими изученными параметрами). То есть каждую инверсию можно найти в некоем спектре условий, а не где угодно. Распространение инверсий показано слева на рис. 3. При этом у каждого вида комаров можно найти несколько типов хромосомных инверсий, а у разных видов часто могут быть одинаковые инверсии (рис. 3, справа), что служит примером параллельной эволюции и позволяет им жить бок о бок.
Рис. 3. Слева — карта, показывающая вероятностное распространение разных видов хромосомных инверсий (обозначены буквами и цифрами, например, 2La, 2Rb и т.д.) четырех видов малярийных комаров в Западной Африке. Чем оттенок ближе к красному, тем больше вероятность встретить комара с данной инверсией. Справа — дендрограмма разных типов хромосомных инверсий, построенная на основе сходства/различия в требованиях к среде обитания у их носителей. Удалось выделить три группы (1–3), представители которых обитают в сходных условиях. Разные виды малярийных комаров показаны разными цветами: An. gambiae — желтым, An. coluzzi — красным, An. arabiensis — синим, An. runestus — серым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution
Таким образом, проведенный детальный анализ подтвердил идею Марио Колуцци о роли хромосомных инверсий в повышении адаптивных возможностей малярийных комаров. Конкретный механизм этого пока не ясен. Однако, вероятно, он хотя бы частично связан с явлением запирания кроссинговера (см. врезку). Как бы то ни было, проведенное исследование приблизило нас к пониманию того, как малярийным комарам удается адаптироваться к самым разным условиям, выживать в них и даже благоденствовать. Похоже, создать противомалярийную вакцину легче, чем бороться с переносчиками — малярийными комарами. По крайней мере, в африканских тропиках. Там же, где видовое и (вероятно) хромосомное разнообразие малярийных комаров низкое, борьба с ними может быть эффективна. Что и показал упомянутый выше пример с южным Таджикистаном.
Источник: Diego Ayala, Pelayo Acevedo, Marco Pombi, Ibrahima Dia, Daniela Boccolini, Carlo Costantini, Frederic Simard, Didier Fontenille. Chromosome inversions and ecological plasticity in the main African malaria mosquitoes // Evolution. 2017. V. 71. P. 686–701.
Алексей Опаев