Симбиоз вирусов и бактерий

Обновлено: 28.03.2024

Растение Dichanthelium lanuginosum прекрасно растет на почве, нагретой до 65°C, но погибает (справа) в тех же условиях, если его лишить симбиотического гриба Curvularia protuberata (фото с сайта wfrc.usgs.gov)

Удивительный пример тройного симбиоза описали в последнем номере журнала Science американские биологи, работающие в Йеллоустонском национальном парке (США), где на горячей почве вблизи геотермальных источников произрастает термостойкая трава Dichanthelium lanuginosum, близкая родственница проса. Ранее было установлено, что удивительная устойчивость этого растения к высоким температурам каким-то образом связана с эндофитным (произрастающим в тканях растения) грибом Curvularia protuberata. Если выращивать растение и гриб по отдельности друг от друга, ни тот, ни другой организм не выдерживает длительного нагревания свыше 38°C, однако вместе они прекрасно растут на почве с температурой 65°C. Кроме того, даже в отсутствие теплового стресса растение, зараженное грибом, растет быстрее и лучше переносит засухи.

Авторы обсуждаемой статьи недавно предположили, что гриб помогает растению обезвреживать активные формы кислорода (АФК), образующиеся как побочный продукт реакции растения на стресс (об АФК см.: Ю. А. Лабас, А. В. Гордеева, Л. Г. Наглер. Незримое одеяние голых тварей // Природа, № 12, 2006). Действительно, у растений, лишенных симбиотического гриба, в условиях теплового стресса в листьях образуются заметные количества АФК, тогда как у растений с грибом этого не наблюдается.

Исследователи выделили из гриба не только вирусную РНК, но и сами вирусные частицы. Они похожи на другие грибные вирусы и имеют вид шариков диаметром около 30 нанометров.

Вирусы, необходимые для термоустойчивости симбиотического комплекса, под электронным микроскопом (фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science)

Вирусы, необходимые для термоустойчивости симбиотического комплекса, под электронным микроскопом (фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science)

Таким образом, для термоустойчивости оказались необходимы все три компонента симбиотической системы: и растение, и гриб, и вирус.

Правда, идея о ключевой роли активных форм кислорода не подтвердилась. Производство АФК в листьях одинаково снижалось у растений, зараженных любым грибом: с вирусом или без.

Таким образом, гриб, зараженный вирусом, способен повышать термоустойчивость не только у своего природного хозяина — однодольного растения Dichanthelium lanuginosum, но и у неродственных растений, относящихся к классу двудольных. Это открытие может иметь большое практическое значение. Трудность пока в том, что авторам не удалось добиться стопроцентной зараженности всех помидоров симбиотическими грибами. Именно этим, по их мнению, объясняется более высокая смертность подопытных томатов на горячей почве по сравнению с Dichanthelium lanuginosum.

Источник: Luis M. Márquez, Regina S. Redman, Russell J. Rodriguez, Marilyn J. Roossinck. A Virus in a Fungus in a Plant: Three-Way Symbiosis Required for Thermal Tolerance // Science. 2007. V. 315. P. 513–515.

Популярная англоязычная страничка, посвященная симбиозу:
Interliving? What for? How?.


Два новых исследования предоставляют доказательства и раскрывают механизмы этих взаимодействий, что дает новое понимание микробиологического патогенеза для разработки вакцин.

С появлением современных методов в области молекулярной микробиологии становится очевидно, что легкие не являются стерильными даже при отсутствии заболеваний. Существуют доказательства взаимодействия и коэволюции бактериальных сообществ и иммунной системы позвоночных на протяжении всей истории. Последние данные также свидетельствуют о сходном взаимодействии этих колонизирующих микроорганизмов и эволюции по отношению к патогенезу вирусов.

Это особенно актуально в случае взаимодействия между вирусом гриппа и бактерией Streptococcus pneumoniae, так как коинфекция этими двумя микроорганизмами приводит к более резкому прогрессированию заболевания и увеличению смертности, чем заражение только одним из этих патогеном.

Два новых исследования, опубликованных в Nature Microbiology, предоставляют доказательства взаимодействия между Streptococcus pneumoniae и вирусом гриппа. Это важно не только для понимания патогенеза, но и для разработки эффективных вакцин против таких инфекций.

Rowe и соавторы предоставляют косвенные доказательства физического взаимодействия между Streptococcus pneumoniae и вирусом гриппа путем их совместной седиментации и прямые доказательства связывания вируса с бактериями, используя штамм гриппа, экспрессирующий флуоресцентный белок mRuby2.

Чтобы изучить влияние прямого связывания вируса и бактерии на респираторную инфекцию, ученые продемонстрировали повышенную адгезию вирусно-бактериального комплекса к культивируемым in vitro линиям эпителиальных клеток человека и мышей, которым интраназально инокулировали только Streptococcus pneumoniae или Streptococcus pneumoniae, прединкубированных с вирусом гриппа (рис. 1, левая панель).
.


Вирус гриппа напрямую связывается с поверхностью бактерии, что приводит к увеличению адгезии бактерий к дыхательному эпителию, прогрессированию патологического процесса и смертности в мышиной модели. Это связывание вируса с бактерией независимо от жизнеспособности бактерий и использование γ-облученного Streptococcus pneumoniae также приводило к увеличению вирусной инфекции клеток MDCK (левая панель).

Когда и Streptococcus pneumoniae, и вирус гриппа были облучены γ-лучами, непосредственное связывание между этими двумя патогенами все еще было очевидно, что привело к увеличению поглощения макрофагами. Мукозальная вакцинация мышиной модели этим γ-облученным комплексом патогенов способствовала усилению резидентной памяти и действия Т-клеток легких на вирус гриппа, что, возможно, произошло в результате увеличения антиген-презентации макрофагами (правая панель).

Всего через 24 часа отмечен рост Streptococcus pneumoniae в носовых ходах и среднем ухе у мышиных моделей, которым предварительно инокулировали комплекс, включающий Streptococcus pneumoniae и вирус гриппа. В данном случае рост был более интенсивным, чем при инокулировании двух патогенов без предварительной инкубации. Вследствие этого повышенного связывания комплексных патогенов скорость развития инфекции и смертность значительно увеличились.

Интересно, что увеличение смертности не было связано с повышенной бактериемией. Это позволяет предположить, что прогрессирование заболевания может быть результатом цитокиновой бури в дыхательных путях. Но остается вопрос, как бактериально-вирусное взаимодействие приносит пользу вирусу.

David и его коллеги из Австралии решили изучить этот вопрос. Они представляют электронные микрофотографии для подтверждения факта прямого связывания гриппа с гамма-облученным штаммом Streptococcus pneumoniae и демонстрируют, что этот комплекс повышает способность гриппа инфицировать клетки Мадин-Дарби почек собак (MDCK) (рис. 1, левая панель). Ученые не выяснили, было ли это прогрессирование вирусной инфекции вызвано повышенной адгезией бактериально-вирусного комплекса к клеткам MDCK, но продемонстрировали, что комплекс способствует лучшему захвату и интернализации вируса гриппа макрофагами THP-1 (рис. 1, правая панель).

Есть предположение, что взаимодействие вируса гриппа и Streptococcus pneumoniae способствует заражению организма-хозяина обоими организмами, но можно ли использовать это взаимодействие для усиления иммуногенности к этим патогенам? Группа австралийских ученых ранее продемонстрировала, что совместная мукозальная вакцинация с помощью γ-облученного гриппа A/Puerto Rico/8/1934 (PR8) H1N1 (γ-Flu) и γ-Spn обеспечивает значительную защиту от летальной коинфекции и увеличение специфической реакции на Streptococcus pneumoniae. Данная статья посвящена исследованию специфического иммунитета против гриппа, возникающего в результате интраназальной инокуляции γ-Flu-γ-Spn.

Через три недели после вакцинации γ-Flu-γ-Spn David и соавторы провели эксперимент с заражением мышей смертельной дозой вируса гриппа штамма PR8. Неудивительно, что мыши, вакцинированные одним γ-Flu или γ-Flu-γ-Spn, были полностью защищены в течение трех недель после заражения, тогда как мыши, которые были вакцинированы только одним γ-Spn, умерли в течение первой недели. Мыши, вакцинированные только одним γ-гриппом или γ-гриппом-γ-Spn, также были защищены от последствий смертельного заражения недавним пандемическим штаммом H1N1 2009 года.

Важно отметить, что только мыши, вакцинированные γ-Flu-γ-Spn, были полностью защищены от заражения гетероподтипом H3N2, в то время, как среди мышей, вакцинированных одним γ-Flu, смертность составляла 40 %. Авторы исследования продемонстрировали, что эта совместная вакцинация не была связана с различием реакции нейтрализующих антител и циркулирующих Т-клеток. В отличие от этого, вакцинация γ-Flu-γ-Spn значительно усиливала резидентную память CD4+ и CD8+ T-клеток в легких, которые необходимы для противостояния инфекции гриппа (рис. 1, правая панель).

Такие взаимодействия не ограничиваются Streptococcus pneumoniae. Rowe и соавторы также предоставляют доказательства прямого взаимодействия вируса гриппа с другими респираторными микроорганизмами, такими как нетипируемые Haemophilus influenzae (NTHi) и Moraxella catarrhalis. Эти данные могут объяснить тот факт, что пациенты с хронической обструктивной болезнью легких, которые колонизированы NTHi, в три раза чаще испытывают обострение своего заболевания после вирусной инфекции, чем пациенты без NTHi.

В обоих исследованиях есть недостатки. Большинство наблюдений основаны на экспериментах in vitro или на моделях летальных животных, а не на моделях, которые воспроизводят человеческие заболевания. Над отчетом David и соавторов потребуется провести дополнительную работу — продемонстрировать продолжительность защиты, прежде чем транслировать в массы эти наблюдения.

Обе статьи также посвящены взаимодействию между бактериями и вирусом гриппа А, без упоминания о штаммах гриппа В, хотя штаммы В являются распространенной причиной гриппа. Но эффективность применения комбинированной вакцины впечатляющая, эти результаты можно использовать для разработки вакцины против респираторно-синцитиального вируса, который, как уже известно, непосредственно связывается с Streptococcus pneumoniae. Если перекрестная защита от гетеросубтипических штаммов подействует на риновирус, то, возможно, есть надежда создать вакцину от простуды.

Разработка вакцин — важная задача будущего, но пока наблюдения ученых должны заставить нас обратить внимание на респираторные инфекции. Несмотря на то, что заражение одним патогеном все еще может быть уместными во многих случаях, учитывая наличие микробиоты в легких, модели сочетанной инфекции, а не последовательной инфекции, ближе к реальной картине.

Президиум РАН: инфекция — модель ассоциативного симбиоза

Процесс симбиоза зарождался на заре эволюции, когда только возникали какие-то новые формы жизни, сказал академик В.В. Зверев. Тогда возникли и симбиотические взаимоотношения, и системы. Все развивалось совокупно, не так, что каждый организм во что-то развивался — нет, именно этот симбиоз давал новые виды и происхождение каких-то новых форм жизни. Мы начинаем изучать океан, а основная масса того, что есть в нем — бактерии и вирусы, которые существуют в симбиозе.

Академик О.В. Бухарин. То, о чем предстоит рассказать — наработки Института клеточного и внутриклеточного симбиоза Уральского отделения РАН.

Увы, микробы тоже умеют хорошо приспосабливаться за счет антифакторов.

Проведя огромную работу в течение двадцати лет по изучению факторов персистенции (переживания) микроорганизмов, мы нашли, что те же стафилококки, имея антикарнозиновую или антилизоцимную активность, являются классическими резидентами. Что это дает? — Это позволяет наладить диагностику. Изданы рекомендации, которые сегодня используются Службой Госсанэпиднадзора. И мы эти свои рекомендации реализовали на территориях с наличием газовых комплексов — в Казахстане, на Оренбургском нефтеперерабатывающем заводе, Астраханском месторождении. Все это было внедрено и использовано для проведения микроэкологического мониторинга в газоносных и газоперерабатывающих регионах страны (Карачаганак, Астрахань, Оренбург), не говоря уже о диагностике резидентного стафилококкового бактерионосительства и его санации.

О системообразующем факторе: важнейшей функцией микросимбионтов является репродукция — все живое имеет способность к репродукции, к размножению, и это главное — биологи прекрасно это знают. Критерием оценки репродукции микробов является их число или, как называют микробиологи, — колониеобразующие единицы (КОЕ).

Физиологи также обращают внимание на то, насколько хорошо и быстро адаптируется организм — если ты не можешь адаптироваться, ты не жилец на этой планете. Мы выбрали две характеристики — биопленкообразование (БПО) и антилизоцимную активность (АЛА). Понятно, что в одиночку планктонным микробам тяжело жить, и никто их не защищает, тогда как в биопленках, с которыми мучаются хирурги и медицинский персонал, микробы выживают очень хорошо. И еще АЛА — параметр, который для нас тоже чрезвычайно важен, потому что он носит универсальный характер.

Математики помогли нам обобщить и посчитать количественные и качественные изменения. И вот, что получается после обработки сигнальными молекулами: число микробов уменьшилось. Согласитесь, насколько это заманчиво: скажем, дать команду в условиях, когда у пациента септическое состояние и тогда было бы не нужно выливать целые ведра антибиотиков, а можно было бы попытаться притормозить размножение таким сигнальным способом, обманув эти микробные клетки. Этот вариант не сбрасывается со счетов. А феномен этот называют QS (чувство кворума).

Наконец, третья причина — это возрастание роли симбиотических отношений (ассоциативный симбиоз) в интерпретации микробиологических процессов как в организме человека, так и в экосистемах. И здесь отмечу только один аспект: проблема внедрения чужеродных (аллохтонных) видов — актуальная задача современной экологии — где накоплен теоретико-методический базис, полезный при развитии представлений об ассоциативном симбиозе.

Академик В.В. Зверев. Некоторые положения доклада — это уже классика микробиологии, они входят в современные учебники по микробиологии и иммунологии. По-видимому, процесс симбиоза зарождался на заре эволюции, когда только возникали какие-то новые формы жизни. Тогда возникли и симбиотические взаимоотношения, и системы. Все развивалось совокупно, не так, что каждый организм во что-то развивался — нет, именно этот симбиоз давал, наверное, новые виды и происхождение каких-то новых форм жизни.

Микробиология — прежде всего, медицинская наука, она родилась и развивалась для медицины. И сама родила, наверное, самую развивающуюся сейчас науку — иммунологию. Но бактерии существуют не только у человека и животных. Мы очень мало знаем о симбиозе бактерий. Например, не только в человеческом организме, а в растениях, вообще в природе — эти механизмы пока от нас уходят, мы их не знаем.

Мы беремся всех лечить лактобактерином. На самом деле, это, наверное, неправильно, потому что у каждого человека отдельный симбиоз. Есть, конечно, общие понятия и представления¸ но много частных деталей, характерных только для конкретно этого человека. Человек от человека отличается благодаря генетике — не зря сейчас такой бум создания для людей личных банков своей микрофлоры.

Мы сейчас изучаем — как можно прогнозировать развитие того или иного инфекционного заболевания у того или иного индивидуума. Оказывается, можно: зная регуляцию генов, которые отвечают за процессы в иммунной системе, можем прогнозировать, как иммунная система реагирует на попадание того или иного возбудителя заболевания в организм — процесс этот будет в кишечнике, на половых органах, в носоглотке.

Великий Мечников более ста лет назад предсказал, что практически все болезни связаны с микроорганизмами. Это так, достаточно привести пример с язвенной болезнью желудка, которая вызывается хеликобактер пилори. Есть целый ряд онкологических заболеваний, где основным этиологическим агентом являются вирусные белки, которые обладают антигенным действием. С каждым годом таких заболеваний мы открываем все больше и больше.

Изучение таких симбиозов, симбиотических процессов нам позволит, может быть, понять, почему у одного человека это соматическое заболевание возникает, а у другого человек — нет. Конечно, здесь генетика, здесь инфекционный агент, но и симбиоз также существует. Он играет огромную роль, потому что своя микрофлора, свои микроорганизмы могут этот процесс нейтрализовать. Пример — болезнь Крона, известное заболевание, когда вдруг микрофлора кишечника перестает узнаваться как своя — и уничтожается. Это связано с клетками иммунной системы, которые находятся в кишечнике и которые отвечают за то, чтобы узнать свою микрофлору как свою, то есть отвечают за толерантность. Если вдруг они перестают работать, то микрофлора уничтожается и начинается язвенная болезнь. На мой взгляд, это продуктивная гипотеза.

Мы сейчас работаем с физиками — пока о лечении речь не идет, но, например, с помощью романовского рассеивания можно идентифицировать отдельно микроорганизмы, т.е. сделать качественную диагностику.

Такие работы позволят решать некоторые экологические проблемы. Мы начинаем изучать океан, еще что-то, забывая о том, что основная масса того, что в нем — бактерии и вирусы, которые существуют в симбиозе.

Колонизационная резистентность кроме резидентной флоры обеспечивается и иммунными факторами, факторами адаптивного иммунитета (это секреторные антитела), врожденного иммунитета (это различные цитокины, бактерицидные пептиды). В секретах слизистых оболочек обнаруживается большое количество клеток. В основном это нейтрофилы, что очень странно, поскольку нейтрофилы — тканевая клетка. Возникает вопрос: что она делает в слизистом секрете? Тем не менее, их там много — много в секретах кишечного эпителия, в репродуктивных органах. Например, в половой системе женщин между микробно осемененным нижним отделом и полостью матки располагается слизистый секрет. Там нет эпителиального барьера. Этот слизистый секрет содержит нейтрофилы в количестве в десять раз превышающем их содержание в периферической крови.

Возникает вопрос: участвуют ли нейтрофилы в формировании колонизационной резистентности? Ответа на этот вопрос нет. Тем не менее, исследования, проводимые и у Олега Валерьевича, и у нас, говорят, что существуют симбиотические отношения между резидентной микрофлорой и факторами иммунитета. В частности, оказывается, что как только нейтрофилы выходят на поверхность слизистых оболочек, они тут же активируются резидентной флорой, которая сидит на эпителизации клетки. Активированные нейтрофилы дегранулируют, выделяют в секреты свои бактерицидные продукты. Эти продукты, как оказалось, обладают удивительным свойством — они обладают селективной бактерицидностью. Они подавляют рост чужих бактерий и влияют на собственную резидентную флору. В частности, они даже стимулируют рост бифидо- и лактобактерий.

ДНК благодаря своей повышенной липкости захватывают внеклеточные бактерии и бактерицидные ферменты гранул эти бактерии убивают. Таким образом, нейтрофил обеспечит внутриклеточный киллинг.

Оказалось, что ловушки могут образовывать не только нейтрофилы. Это умеют делать практически все лейкоциты. Но, видимо, это древнейший механизм антимикробной защиты, поскольку клетки, скажем, камбия корней растений умеют образовывать ловушки, которые, по-видимому, и защищают эти корни от почвенных грибов.

Нейтрофилы, активируясь на поверхности слизистых оболочек, образуют гляцидные продукты, которые формируют на поверхности бактерицидов бактерицидный экран, не пропуская бактерии к этим эпителиальным клеткам.

Это направление, на наш взгляд, очень важно для изучения взаимодействия нормальной микрофлоры и иммунных факторов, поскольку именно резидентная флора активирует нейтрофилы и запускает эти бактерицидные механизмы. Конечно, нейтрофилы лишь косвенно относятся к сегодняшней теме, тем не менее, нейтрофилы, являясь важнейшими ключевыми клетками врожденного иммунитета, тем не менее, играют, видимо, роль в формировании колонизационной устойчивости эпителия.

Исследования Олега Валерьевича по инфекционной симбиологии как раз объединяют иммунологические и микробиологические исследования. Необходимо очень тесное сотрудничество микробиологов и иммунологов, оно чрезвычайно перспективно.

Академик Ю.В. Наточин. Почему Отделение представило данный доклад на Президиум? Академик Юрий Сергеевич Осипов, наверное, помнит, что, когда создавалось Отделение, шел разговор об этом направлении и Юрий Сергеевич тогда поддержал эти исследования в рамках физиологических проблем. Насколько в целостном организме каждого из нас имеет значение эта система? У каждого 2 кг бактерий или микроорганизмов, и они живут. Все они живут с нами и одновременно — вне нас, поскольку кишечник вне внутренней среды организма, и это крайне важно. Гомеостаз окружает каждую нашу клетку, но не взаимодействует с микроорганизмами, т.к. они в кишечнике. Поэтому первое: фундаментальной проблемой является проблема взаимоотношения организма как целого (это и есть физиология) с микроорганизмами, но не просто с ними, а с их сообществом. Это — новое качество.

Второй вопрос в этой связи — генномодифицированные продукты, которые позволяют выращивать много новых, уничтожая ненужные, вредные микроорганизмы. Крайне важно понять, как они будут соотноситься с живым целостным организмом. Я сейчас не говорю, хорошо это или плохо — я ставлю вопрос о взаимоотношении, при всей важности проблемы — это пока не делалось.

Третий вопрос: сегодня мы знаем около 5% видового разнообразия, остальных не знаем, а особо мало знаем о микроорганизмах.

Но тут принципиально изменяются взаимоотношения! Тут возникают дисбактериозы, нарушается привычная зависимость между микро- и макроорганизмом. Т.е., обращаю особое внимание: эта проблема не только внутренняя — микробиологическая, она существенно шире.

Сегодня очень правильно поставлен вопрос о банках данных, они важны, в том числе, и в теоретическом плане: надо понимать и сохранить разнообразие, которое, к сожалению, если не уничтожается, то существенным образом изменяется. Техногенная среда способствует этому.

Но это важно и в практическом плане. Пробиотики и аутопробиотики напоминают нам, что каждый человек индивидуален. Поэтому, если мы хотим целевым образом воздействовать на микроорганизмы, на взаимоотношения микро-, макро- и микробов, то, конечно, необходимо его же микроорганизмы ему для этих целей и предоставить. Поэтому то, что сейчас создаются криогенные банки аутопробиотиков и аутомикроорганизмов — очень правильно. Такие работы, я знаю, ведутся и в Оренбурге, правда, они недавно начаты, но во многих институтах Академии наук они исторически ведутся уже давно. Свои микробы более значимы с точки зрения лечения, чем чужеродные микробы. Это понятно. У нас есть банки данных каждого космонавта, есть банки данных у летчиков, есть банки данных у водолазов. Это необходимо в профессиональной медицине.

И еще: постантибиотиковая эра в какой-то степени расслабила общество.

Медицинское сообщество и медицинская наука нацелены, в основном, на исследования и лечение т.н. неинфекционных заболеваний — это сердечно-сосудистые, инсульты, инфаркты, диабет. Показалось, что человечество, изобретя антибиотики, решило эту проблему. Но это большое заблуждение, если не сказать ошибка, потому что, к сожалению, инфекционная составляющая очень значима в возникновении, в развитии целого ряда заболеваний. И совершенно справедливо и своевременно, что в Индии в ноябре 2013 года на Совещании президентов академий различных стран наряду с важными вопросами по физике, химии и информатике, был поставлен вопрос устойчивости микроорганизмов к антибиотикам — как один из важнейших для биологической науки.

Антибиотики как физический фактор бьют все — и свое, и чужое, и полезное, и вредное, поэтому, когда применяют антибиотики, врачи придумали добавлять лактобифидум, чтобы обогащать среду полезными микроорганизмами. Но если человечество не изобретет средства, заменяющие антибиотики (жизнь показывает, что когда появляется новый антибиотик, к нему микроорганизмы очень хорошо адаптируются и не дают возможности их убить), думаю, что в мире будет инфекционная катастрофа.

Наверное, такая программа нужна. С 2017 года будут новые программы. Эта проблема междисциплинарная и очень актуальна и заслуживает того, чтобы в рамках программы Президиума ученые различных направлений могли иметь возможность при единой идеологии, но с различными методическими подходами попытаться решить проблему.

Три примера использования

При этом, в отличие от всех нормальных вирусов, PDV не содержат специфических вирусных генов, необходимых для размножения. Поэтому PDV не могут размножаться в организме гусеницы. Не размножаются они и в организме наездника. По сути дела, они вообще не размножаются. Новые PDV образуются только в яичниках самки наездника. Яичники синтезируют PDV точно так же, как любой орган многоклеточного животного синтезирует различные вещества и молекулярные комплексы для внутреннего использования или выведения наружу.

Личинки наездника Cotesia congregata окуклились на выеденной ими изнутри гусенице бабочки Ceratomia catalpae. Фото с сайта www.marietta.edu

Эти удивительные особенности поли-ДНК-вирусов заставляли некоторых экспертов сомневаться в их вирусной природе. Может быть, PDV в действительности являются не вирусами, а специфическими молекулярными комплексами, возникшими в ходе эволюции наездников как одна из адаптаций к паразитизму? Может быть, их внешнее сходство с вирусами случайно?

Существует две группы PDV, приуроченные к двум семействам наездников: браконидам (браковирусы) и ихневмонидам (ихновирусы). Главным объектом исследования стал PDV из первой группы, синтезируемый наездником Cotesia congregata (Cotesia congregata bracovirus, CcBV), а также два других вида наездников, производящих PDV.

Поэтому первая задача, которую поставили перед собой исследователи, состояла в том, чтобы выяснить, есть ли в геноме наездника гены вирусного происхождения, которые могут обеспечить создание вирусных частиц. Причем эти гены должны работать (экспрессироваться) исключительно в яичниках, потому что известно, что ни в каких других органах наездника PDV не образуются.

Чтобы понять, какие гены работают в том или ином органе, из него выделяют матричные РНК (мРНК) — первичный продукт активности генов. Анализ мРНК, выделенных из яичников наездников-браконид, позволил выявить 22 активных гена вирусного происхождения, очень похожих на гены нудивирусов — сравнительно малоизученной группы вирусов насекомых.

Но может быть, исследованные наездники просто были заражены каким-то нудивирусом, и это его мРНК обнаружились в яичниках? Чтобы исключить эту возможность, исследователям пришлось отсеквенировать несколько больших фрагментов геномной ДНК наездника. В этих фрагментах обнаружилось 10 встроенных нудивирусных генов, причем пять из них образуют единый кластер (расположены вплотную друг к другу), а остальные разбросаны по геному.

Дальнейшие исследования показали, что экспрессия нудивирусных генов, встроенных в геном наездника, активизируется у самок на стадии куколки, то есть как раз тогда, когда происходит формирование вирусных частиц PDV. Гены работают не во всём яичнике, а только в стенках фолликулов — именно там, где формируются PDV.

Чтобы исключить последние сомнения, авторы исследовали непосредственно сами белки, входящие в состав оболочек PDV (это технически намного сложнее, чем определять последовательность нуклеотидов в ДНК и РНК). Оказалось, что как минимум шесть из этих белков являются продуктами нудивирусных генов, встроенных в геном наездников-браконид.

Авторы пришли к выводу, что около 100 млн лет назад (в середине мелового периода, когда происходила быстрая сопряженная диверсификация цветковых растений и насекомых) в геном наездника — предка микрогастроидного комплекса — встроился нудивирус, который вскоре был одомашнен и стал помогать наездникам справляться с иммунной системой гусениц. Симбиоз с вирусом оказался настолько выгодным, что потомки этого наездника необычайно размножились и дали начало 17 тысячам современных видов.

Что же касается ихневмонид — другой группы наездников, применяющих PDV для борьбы с иммунной системой своих жертв, — то в их геноме нудивирусных генов обнаружить не удалось. Авторы предполагают, что ихневмониды вступили в симбиоз с каким-то другим вирусом, относящимся к пока еще не открытой группе вирусов. Есть все основания полагать, что науке пока известна лишь небольшая часть реального разнообразия вирусов насекомых.

Исследование еще раз показало, что симбиоз — в том числе симбиоз животных с вирусами — является одним из важнейших путей формирования эволюционных новшеств. Область приложимости теории симбиогенеза продолжает расширяться.

Источник: Annie Bézier et al. Polydnaviruses of Braconid Wasps Derive from an Ancestral Nudivirus // Science. 2009. V. 323. P. 926–930.

Уникальный случай тройного симбиоза: вирус помогает бактерии защищать тлю от врагов

Наездник Aphidius ervi откладывает яйцо в тлю Acyrthosiphon pisum. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Наездник Aphidius ervi откладывает яйцо в тлю Acyrthosiphon pisum. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Многие насекомые буквально нашпигованы различными симбиотическими микробами. Симбионты помогают своим хозяевам решать многие жизненные задачи: от синтеза незаменимых аминокислот и витаминов до переваривания химически чистой целлюлозы, фиксации атмосферного азота и борьбы с сорняками на грибных плантациях (см. ссылки внизу).

Чтобы строго доказать роль вируса во взаимовыгодном сотрудничестве бактерии и тли, нужно было получить генетически чистые линии тлей и бактерий, различающиеся только наличием или отсутствием в бактериальном геноме встроенного фага APSE.

Это позволило ученым вывести три линии генетически идентичных тлей:

1) с гамильтонеллой, зараженной вирусом APSE-3,

2) с точно такой же гамильтонеллой, но без вируса;

3) без гамильтонеллы.

В первой из трех линий личинки наездника сумели погубить лишь около 6% тлей, во второй и третьей — около 80%. Эти результаты доказывают, что вирус APSE действительно необходим для защиты тли от наездника.

Исследование еще раз показало, что посредством вирусов бактерии могут очень быстро приобретать новые полезные для себя свойства. Это может иметь далеко идущие экологические последствия — особенно если бактерия вовлечена в тесные мутуалистические или антагонистические взаимоотношения с другими организмами. Не исключено, что та поразительная скорость, с которой насекомые приспосабливаются к новым условиям (например, к новым кормовым растениям) или вырабатывают устойчивость к ядам, отчасти объясняется деятельностью фагов, проводящих разнообразные генно-инженерные эксперименты на бактериях — симбионтах насекомых.

Источник: Kerry M. Oliver, Patrick H. Degnan, Martha S. Hunter, Nancy A. Moran. Bacteriophages Encode Factors Required for Protection in a Symbiotic Mutualism // Science. 2009. V. 325. P. 992-994.

Растение, гриб и вирус объединились, чтобы втроем противостоять высоким температурам

Растение Dichanthelium lanuginosum прекрасно растет на почве, нагретой до 65°C, но погибает (справа) в тех же условиях, если его лишить симбиотического гриба Curvularia protuberata (фото с сайта wfrc.usgs.gov)

Удивительный пример тройного симбиоза описали в последнем номере журнала Science американские биологи, работающие в Йеллоустонском национальном парке (США), где на горячей почве вблизи геотермальных источников произрастает термостойкая трава Dichanthelium lanuginosum, близкая родственница проса . Ранее было установлено, что удивительная устойчивость этого растения к высоким температурам каким-то образом связана с эндофитным (произрастающим в тканях растения) грибом Curvularia protuberata. Если выращивать растение и гриб по отдельности друг от друга, ни тот, ни другой организм не выдерживает длительного нагревания свыше 38°C, однако вместе они прекрасно растут на почве с температурой 65°C. Кроме того, даже в отсутствие теплового стресса растение, зараженное грибом, растет быстрее и лучше переносит засухи.

Авторы обсуждаемой статьи недавно предположили, что гриб помогает растению обезвреживать активные формы кислорода (АФК), образующиеся как побочный продукт реакции растения на стресс (об АФК см.: Ю. А. Лабас, А. В. Гордеева, Л. Г. Наглер. Незримое одеяние голых тварей // Природа, № 12, 2006). Действительно, у растений, лишенных симбиотического гриба, в условиях теплового стресса в листьях образуются заметные количества АФК, тогда как у растений с грибом этого не наблюдается.

Исследователи выделили из гриба не только вирусную РНК, но и сами вирусные частицы. Они похожи на другие грибные вирусы и имеют вид шариков диаметром около 30 нанометров.

Вирусы, необходимые для термоустойчивости симбиотического комплекса, под электронным микроскопом (фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science)

Вирусы, необходимые для термоустойчивости симбиотического комплекса, под электронным микроскопом (фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science)

Таким образом, для термоустойчивости оказались необходимы все три компонента симбиотической системы: и растение, и гриб, и вирус.

Правда, идея о ключевой роли активных форм кислорода не подтвердилась. Производство АФК в листьях одинаково снижалось у растений, зараженных любым грибом: с вирусом или без.

Таким образом, гриб, зараженный вирусом, способен повышать термоустойчивость не только у своего природного хозяина — однодольного растения Dichanthelium lanuginosum, но и у неродственных растений, относящихся к классу двудольных. Это открытие может иметь большое практическое значение. Трудность пока в том, что авторам не удалось добиться стопроцентной зараженности всех помидоров симбиотическими грибами. Именно этим, по их мнению, объясняется более высокая смертность подопытных томатов на горячей почве по сравнению с Dichanthelium lanuginosum.

Источник: Luis M. Márquez, Regina S. Redman, Russell J. Rodriguez, Marilyn J. Roossinck. A Virus in a Fungus in a Plant: Three-Way Symbiosis Required for Thermal Tolerance // Science. 2007. V. 315. P. 513–515.

Бактерии, архивное фото

В нашем теле живёт сто триллионов бактерий. Они не только помогают переваривать пищу, но и влияют на наше поведение и здоровье. О дружбе человека и бактерии, пересадке кала и пользе йогурта рассказывает сотрудник Гарвардской медицинской школы, биолог Николай Кукушкин.

В организме взрослого человека в среднем проживает в десять раз больше бактерий, чем наших собственных клеток. Фактически бактерии формируют в нашем теле полноценный орган. Большая часть из них населяет пищеварительный тракт, в первую очередь толстую кишку. Остальные бактерии обитают на коже, слизистых оболочках и в районе половых органов. Любопытно, что в каждой микросреде обитания бактерии формируют собственные экосистемы, которые различаются как между собой (например, микрофлора пупка мало напоминает микрофлору пятки), так и от человека к человеку.

Бактерии и человек: кто из нас умнее

Бактерии

В популярном сознании бактерия лежит где-то на границе неживой и живой материи, глубоко застряв у самого основания эволюционного древа. Поначалу она бесполезно плавает в океане, потом у неё появляется ядро, потом жгутики с ресничками, потом она делится и образует эдакую лепёшку медузоидного плана, которая быстренько преобразуется в рыбу, вылезающую с помощью мускулистых плавников на берег, где у неё отваливается хвост, появляются лёгкие, потом шерсть, потом палка в руках, и вот, наконец, перед нами, распрямляясь на глазах и сбрасывая узы дикой природы, стоит человек – вершина эволюции. От бактерий – примитивных безъядерных пузырей цитоплазмы – его отделяют миллиарды лет усердного труда по совершенствованию собственного тела.

Читайте также: