Круг известных «хозяев» вольбахии постоянно растет

Александр Марков,
доктор биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института РАН

«Вернулись времена царя Ирода. Таинственная эпидемия уносит жизни младенцев мужского пола. Уцелевшие мальчики на глазах матерей превращаются в девочек или в уродов-интерсексов. Девушки рожают без зачатия, а супружеские пары поражены бесплодием...» Похоже на начало романа обезумевшего писателя-фантаста, не правда ли? Однако это не беллетристика, а реалистическая реконструкция событий, которые могли бы произойти, если бы человечество подхватило инфекцию, уже поразившую сотни тысяч видов животных. 

Бактерия вольбахия впервые была обнаружена в яичниках обыкновенного комара (Culex pipiens) в 1924 году. Однако изучать ее всерьез стали лишь много десятилетий спустя, когда выяснилось, что именно она является причиной множества разнообразных патологий развития и размножения животных. Вольбахия обнаружена в клетках жуков, клопов, мух, ос, кузнечиков, бабочек, блох, пауков, клещей, ракообразных, червей... Круг известных «хозяев» вольбахии постоянно растет: сообщения о новых видах животных, ею зараженных, появляются еженедельно.

К счастью для нас, вольбахия за более чем 100 млн лет своего существования (именно так оценивают ее возраст специалисты) так и не сумела приспособиться к жизни в организме млекопитающих (хотя в лабораторных условиях она может жить в культуре человеческих клеток). К тому же ее «методы воздействия», изначально ориентированные на насекомых, пауков и червей, едва ли оказались бы столь же действенными у млекопитающих, иммунная система которых гораздо более совершенна1. С другой стороны, ближайшая родственница вольбахии, риккетсия (изначально — паразит насекомых) уже «освоила» человека как среду обитания. Результат — эпидемии сыпного тифа и так называемых пятнистых лихорадок.

Вольбахия никогда не действует так грубо. Она поступает со своими жертвами гораздо тоньше и изощреннее, умело манипулирует ими, преследуя свои корыстные цели. Вольбахия не может жить вне клеток хозяина и передается «вертикально» — от матери к ее детям, проникая в яйцеклетки зараженных самок. Бактерии, попавшие в организм самца, обречены погибнуть вместе с ним, и не могут оставить потомства. Самцы для вольбахии — ненужный балласт, и она избавляется от них, выборочно убивая зародышей мужского пола.

В конце 90-х годов российские ученые обнаружили, что в кладках, отложенных двухточечной божьей коровкой, личинки часто вылупляются только из половины яиц, причем все вылупившиеся насекомые — самки. Оставшиеся яйца, содержащие бренные останки нерожденных «божьих бычков», немедленно пожираются их сестрами. Доказано, что причина гибели мужских зародышей — бактерия вольбахия, однако до сих пор не известно, как именно она их убивает и как отличает самцов от самок.

Жертвами осуществляемого вольбахией самцеубийства, или андроцида, являются, кроме божьих коровок, некоторые бабочки, мухи и муравьи. Иногда это приводит к резкому преобладанию самок в природных популяциях насекомых. Так, у африканских бабочек остриний, зараженных вольбахией, один самец приходится на 100 или даже 200 самок. Удивительно, что такое катастрофическое сокращение мужского населения не приводит к вымиранию вида. Оказывается, для выживания популяции часто бывает вполне достаточно очень небольшого числа самцов.

Иногда вольбахии удается извести всех самцов поголовно, и даже это не приводит к вымиранию хозяев, потому что самки, подчиняясь таинственным «приказам» вольбахии, начинают размножаться партеногенетически — без оплодотворения («партеногенетический» по-гречески означает «деворожденный»). Некоторые виды ос, у которых зараженность вольбахией носит поголовный характер, полностью утратили способность к нормальному половому размножению и не возвращаются к нему, даже если их вылечить тетрациклином.

Еще более изощренно поступает вольбахия с некоторыми наземными ракообразными — мокрицами. Разновидность вольбахии, живущей в мокрицах, научилась превращать генетических самцов в самок. У мокриц мужского пола имеется особая железа, выделяющая андрогенный гормон. От наличия или отсутствия этого гормона зависит, по какому пути пойдет развитие зародыша — мужскому или женскому. Вольбахия подавляет работу андрогенной железы на ранней стадии развития животного, в результате чего из зародыша с мужским набором хромосом развивается самка. Хромосомы у нее при этом остаются мужскими! Потомство «ложной самки» на 100% состоит из таких же «ложных самок». Если молодую «ложную самку» накормить тетрациклином, она превращается в интерсекса — животное со смесью мужских и женских черт. Если же вылечить взрослую «ложную самку», она остается самкой, но начинает производить на свет исключительно одних самцов.
Ближайшие родственники
Вся ближайшая родня вольбахии — внутриклеточные паразиты, не способные долго жить вне клеток животного-хозяина. Кроме разнообразных риккетсий, вызывающих у человека сыпной тиф и пятнистую лихорадку, к этой группе бактерий (так называемым риккетсиевым) относятся анаплазма и эрлихия. Анаплазма — возбудитель смертельного заболевания крупного рогатого скота — анаплазматоза. Переносчики анаплазмы — клещи. Эта бактерия живет в эритроцитах коров и вызывает тяжелую анемию, часто заканчивающуюся гибелью животного. Эрлихия тоже переносится клещами и вызывает опасные заболевания жвачных животных и собак: малокровие и сердечную водянку (отек перикарда). Многие риккетсиевые, как и вольбахия, используют T4SS (видоизмененный половой аппарат) для введения в клетки хозяина различных веществ — регуляторов.

Многие разновидности вольбахии поступают еще хитрее. Бактерии выгодно, чтобы зараженные самки производили больше потомства, чем здоровые. Вольбахия научилась повышать плодовитость больных самок и делать практически бесплодными незараженных. Первая задача сравнительно проста, но как удается бактерии влиять на плодовитость тех самок, которые ею не заражены? Оказалось, что бактерия использует в качестве своего орудия зараженных самцов. Яйцеклетки здоровых самок, оплодотворенные спермой зараженного самца, погибают; однако тот же самец может успешно оплодотворить любую зараженную самку, и их потомство (естественно, тоже зараженное) будет вполне жизнеспособно.

Это явление, получившее название «цитоплазматическая несовместимость»2 — одна из самых интригующих загадок вольбахии. Какую удивительную манипуляцию проделывает этот микроб со сперматозоидами зараженного самца, что они становятся неспособны оплодотворить здоровую яйцеклетку, но полностью сохраняют способность к оплодотворению яйцеклеток зараженных? Сложность проблемы усугубляется еще и тем, что внутрь сперматозоида вольбахия проникнуть не может — он для этого слишком мал.

Эта загадка пока не разгадана до конца, однако удалось установить, что «цитоплазматическая несовместимость» является результатом слаженных действий бактерий, находящихся в яйцеклетке, и тех, что живут в половых железах самца. Вольбахии, живущие в семенниках самца, вводят в созревающие сперматозоиды какое-то вещество (скорее всего, белок), которое прикрепляется к хромосомам сперматозоида и «портит» их. Одновременно оно служит своего рода меткой — «условным знаком» для вольбахий яйцеклетки. Когда происходит слияние сперматозоида с яйцеклеткой (оплодотворение), «метка» нарушает поведение отцовских хромосом, не позволяет им объединиться с материнскими и начать слаженно делиться вместе с ними. Вскоре отцовские хромосомы разрушаются, что почти всегда приводит к гибели зародыша3. Так обстоит дело, если в яйцеклетке нет вольбахии. Если же она там есть, выделяемые ею белки устремляются на помощь «обреченным» отцовским хромосомам и спасают их от разрушения. «Метка» инактивируется или удаляется, поведение хромосом нормализуется, и из оплодотворенной яйцеклетки развивается вполне жизнеспособный зародыш (разумеется, зараженный вольбахией).

Самое удивительное, что вольбахии, находящиеся в яйцеклетке, за редкими исключениями спасают от разрушения только те хромосомы, которые были помечены той же самой разновидностью бактерии (а разновидностей вольбахии известно много сотен). Каким образом вольбахия отличает «свою» метку от «чужих», остается загадкой. Однако эта «разборчивость» вольбахии, которую она проявляет в деле спасения мужских хромосом, имеет большое практическое значение. Благодаря ей вольбахия обрела способность управлять не только размножением и развитием своих хозяев, но даже их эволюцией!

Этот эффект, имеющий наиболее неожиданные и далеко идущие последствия и вызывающий у ученых, понимающих суть проблемы, чувство, близкое к мистическому ужасу, получил название «инфекционного видообразования». Представим себе, что одна часть какого-то вида животных заразилась одной разновидностью вольбахии, а другая — другой. Если обе разновидности бактерии вызывают «цитоплазматическую несовместимость», это неизбежно приведет к тому, что данный вид окажется насильственно разделен на две половинки, не способные скрещиваться друг с другом. Фактически это означает разделение исходного вида на два. Свершится величайшее таинство эволюционного процесса — «акт видообразования». Свершится не по Божьей воле и не по законам классической эволюционной теории, не в результате естественного отбора, а по «прихоти» какой-то бактерии.

Друг нашего врага

Утверждение о том, что вольбахия не может жить в организме человека и поэтому не опасна для нас, не совсем точно. Вольбахия не может жить непосредственно в клетках нашего тела, однако она обитает в клетках паразитических червей — филярий, которые могут жить в тканях млекопитающих, в том числе человека. Филярии вызывают у людей ряд опасных заболеваний — филяриатозов. Черви поражают подкожную клетчатку, внутренние органы (в том числе сердце), глаза. Некоторые филярии вызывают так называемую слоновость — чрезмерное разрастание клетчатки, отчего рука или нога может непомерно раздуться. Некоторые особенности и симптомы филяриатозов определяются не самими червями-паразитами, а продуктами жизнедеятельности вольбахии, живущей в тканях червя. Переносчиком филярий являются насекомые. Не исключено, что именно от насекомых эти паразитические черви когда-то (около 100 млн лет назад) «заразились» вольбахией. Но отношения вольбахии с филяриями совершенно иные, чем с насекомыми. Между червем и бактерией установились полная любовь и взаимопонимание. Вольбахия стала полезным сожителем (симбионтом) филярий. Черви, «вылеченные» от вольбахии, сильно страдают: у них резко снижается плодовитость и растет смертность. Когда этот факт был обнаружен, ученые и медики преисполнились больших надежд. Может быть, удастся вылечить человека от филяриатоза, «вылечив» его филярий от вольбахии? Ведь извести вольбахию гораздо легче, чем самого червя (круглые черви, к которым относятся филярии, отличаются необыкновенной стойкостью ко всякой химии). К сожалению, эти надежды оправдались только частично. Уничтожение вольбахии тетрациклином действительно снижает число и плодовитость червей-паразитов, но все-таки не приводит к их полному истреблению.

Насколько реалистичен этот сценарий? Происходит ли «инфекционное видообразование» в природе и если да, то как часто? Неизвестно. Однако в Северной Америке уже обнаружены формы сверчков, не способные скрещиваться друг с другом, которые, однако, после курса лечения тетрациклином внезапно становятся вполне совместимыми и начинают давать живое и здоровое гибридное потомство...

Группа российских ученых под руководством профессора И. А. Захарова (Институт общей генетики РАН) вот уже несколько лет пытается разгадать тайну вольбахии. Согласно новейшим данным, в геноме вольбахии удалось выявить несколько десятков генов — наиболее вероятных кандидатов на роль регуляторов жизнедеятельности хозяев.
 
Выяснилось, что бактерия впрыскивает в цитоплазму клеток хозяина регуляторные белки, которые вмешиваются в работу так называемого цитоскелета — опорно-двигательного аппарата клетки, от которого зависит, в частности, поведение хромосом во время клеточного деления. Свои коварные «инъекции» вольбахия осуществляет при помощи особого устройства — так называемой секреторной системы типа 4 (T4SS). Это устройство представляет собой не что иное, как... модифицированный половой аппарат. Обычные бактерии при помощи этого аппарата впрыскивают свою ДНК в клетки сородичей во время так называемой конъюгации — бактериального «полового акта». Если немного отступиться от строгой биологической терминологии, можно сказать, что вольбахия совершает с клетками своих хозяев половой акт, только вместо наследственного материала она вводит в них различные комбинации белков-регуляторов.

По мнению ученых из группы И. А. Захарова, для окончательной разгадки всех тайн вольбахии потребуется еще несколько лет. Однако практическое использование промежуточных результатов исследований начинается уже сейчас. В частности разрабатываются методы использования вольбахии для регуляции численности и плодовитости насекомых: как вредных, так и полезных.
Мнимая польза
Вольбахия заинтересована в том, чтобы зараженные ею самки производили как можно больше потомства, и она умеет добиваться этого. У многих видов насекомых, зараженных вольбахией, лечение тетрациклином приводит к снижению плодовитости самок. Кроме того, в ряде случаев зараженные вольбахией особи живут дольше, ведут себя активнее и в целом оказываются более жизнеспособными по сравнению с вылеченными. Значит ли это, что вольбахия может приносить не только вред, но и пользу? Едва ли. Негативные эффекты, проявляющиеся после излечения, обычно исчезают через 2-3 поколения. Например, у мухи Drosophila simulans после излечения от вольбахии наблюдалось снижение плодовитости. Однако уже через три поколения вылеченные мухи производили столько же потомства, сколько и зараженные.
Это наводит на мысль о том, что «польза», приносимая вольбахией хозяину, может быть иллюзорной. Член-корреспондент РАН генетик И. А. Захаров совместно с автором этой заметки высказали предположение, что вольбахия способна вызывать нечто вроде наркотической зависимости или пользоваться приемом «яд—противоядие», распространенным у некоторых паразитов. Эти паразиты вырабатывают комплекс из двух веществ, одно из которых является ядом для хозяина, а другое — противоядием, причем яд устойчив, а противоядие быстро разрушается в организме, и его запас должен постоянно возобновляться. В результате хозяин, которому удалось тем или иным способом освободиться от паразита, погибает. Хозяин становится сам заинтересован в том, чтобы любой ценой сохранить своего паразита.