Вирусное оружие ос-наездников
Кандидат биологических наук Александр Храмов, Палеонтологический институт им. А. А. Борисяка РАН
Жестокие нравы ос-наездников приводили в ужас ещё Чарльза Дарвина. «Неужели благодетельный и всемогущий Бог преднамеренно сотворил ос-ихневмонид, чтобы они питались живым телом гусениц?» — вопрошал учёный.
Жестокие нравы ос-наездников приводили в ужас ещё Чарльза Дарвина. «Неужели благодетельный и всемогущий Бог преднамеренно сотворил ос-ихневмонид, чтобы они питались живым телом гусениц?» — вопрошал учёный. Наверное, моральное негодование Дарвина возросло бы ещё больше, узнай он, что ихневмониды намеренно заражают своих жертв опасными вирусами, подавляющими их иммунитет...
Паразитоиды и иммунитет: кто кого?
Паразитоидов не следует путать с обычными паразитами, такими как гельминты или вши. Паразиты хотя и доставляют неприятности своим хозяевам, но стараются не убивать их (иначе погибнут сами). Напротив, паразитоиды становятся причиной медленной, но верной гибели заражённого организма. По сути, это хищники, дейст-вующие в замедленном режиме. Именно так ведут себя осы-наездники — очень разнообразная группа насекомых, представленная более чем 50 семействами, относящимися к отряду перепончатокрылых, который включает также всем известных пчёл и муравьёв. Взрослые осы-наездники в основном питаются нектаром и пыльцой, а вот их личинки — паразитоиды, мишенями которых чаще всего становятся другие насекомые, а также пауки, ложноскорпионы и клещи. Тело жертвы для паразитоидных личинок — это не дом на всю жизнь, а лишь живые консервы, за счёт которых надо закончить развитие, превратиться во взрослую особь и улететь восвояси.
По своей жизненной стратегии потомство ос-наездников делится на две группы — на эктопаразитоидов и эндопаразитоидов. Первые сидят на поверхности жертвы, высасывая её содержимое сквозь небольшие отверстия в покровах, тогда как вторые развиваются во внутренних тканях, выедая несчастного страдальца изнутри, подобно вышеупомянутым ихневмонидам. Эндопаразитоидная личинка выводится из яйца, которое взрослая оса откладывает внутрь другого насекомого с помощью длинного яйцеклада, похожего на гибкую иглу. Эндопаразитоиду не надо опасаться, что жертва сбросит его со своего тела, к тому же он всегда прикрыт живым щитом от неблагоприятных условий среды. Но такой образ жизни сопряжён с серьёзными минусами, главный из которых — противодействие со стороны иммунитета жертвы, в чём-то похожее на то, что испытывал бы на себе эмбрион в теле беременной женщины, если бы его не защищали зародышевые оболочки.
При проникновении любого чужеродного объекта гемоциты (кровеносные клетки) атакованного насекомого облепляют его со всех сторон, изолируя от внутренних органов и перекрывая доступ питательных веществ. Эта форма иммунного ответа, которую называют реакцией инкапсуляции, представляет для эндопаразитоида наибольшую опасность. Чтобы избежать её, некоторые хальцидоидные наездники предпочитают заражать яйца насекомых, в которых гемоциты, естественно, ещё не сформировались. Такое поведение характерно для мегафрагм, трихограмм и других ос-лилипутов, чья длина исчисляется первыми долями миллиметра. Действительно, не слишком-то разгуляешься, когда до взрослого возраста надо дорасти, имея в запасе содержимое одного-единственного яичка. Личинки и взрослые насекомые, которые успели нагулять жирок, — гораздо более привлекательная добыча, но подступиться к ним сложнее. Некоторым наездникам приходится с хирургической точностью откладывать яйца прямо в их нервные ганглии. Поскольку в нервную систему гемоциты не заходят, подобный приём спасает яйца от инкапсуляции. Другие эндопаразитоиды поступают не менее изощрённо — вместо того, чтобы употреблять яйцеклад для прокалывания, они используют его как анальный зонд, который загоняет яйцо в задний проход жертвы. В полости кишечника гемоцитов нет, так что яйцо, отложенное туда, также находится в безопасности.
Вирусные векторы на службе у ос и людей
Не довольствуясь пассивным избеганием иммунной системы прокормителя, многие эндопаразитоиды перешли к её активному подавлению. Например, некоторые виды вместе с яйцом впрыскивают в жертву вещества, тормозящие инкапсуляцию. Но подобные меры имеют только временный эффект, поскольку иммуноподавляющие соединения рано или поздно выводятся из организма поражённого насекомого. Хороший паразитоид должен подавлять иммунную систему хозяина системно и изнутри, а не бороться с её внешними проявлениями. Именно так поступают наиболее продвинутые паразитоидные осы, относящиеся к двум близкородственным семействам браконид (Braconidae) и ихневмонид (Ichneumonidae). Эти семейства включают около 19 000 и 24 000 описанных видов соответственно, в совокупности на них приходится треть видового разнообразия всего отряда перепончатокрылых.
Древнейшие ископаемые находки ихневмонид и браконид датируются первой половиной мелового периода, и примерно в это же время, судя по данным молекулярной филогенетики*, произошло событие, предопределившее их последующий эволюционный успех. Я говорю о союзе, который бракониды и ихневмониды заключили с вирусами, чтобы встраивать копии вредоносных генов в ДНК насекомых-жертв.
В природе к услугам вирусов для передачи генетического материала активно прибегают бактерии. Когда бактериофаги (вирусы бактерий) размножаются внутри поражённой бактериальной клетки, они могут случайно захватить отрезок её ДНК и затем впрыснуть его в другую бактерию. Этот процесс, называемый трансдукцией, служит одним из основных механизмов горизонтального переноса генов между бактериями, благодаря которому они, в частности, сообщают друг другу устойчивость к антибиотикам. Изучение работы бактериофагов в середине XХ века навело учёных на мысль использовать вирусные векторы в генной терапии. Суть данного подхода проста: если человек родился с мутацией в жизненно важном гене, то с помощью перепрограммированных вирусов в его клетки можно ввести правильную версию этого гена. Первым пациентом, на котором была успешно испробована генная терапия, в 1990 году стала четырёхлетняя девочка Ашанти де Сильвародом из американского штата Огайо. Она страдала тяжёлой формой врождённого иммунодефицита из-за дефекта в генах, кодирующих аденозиндезаминазу. Этот фермент особенно важен для лейкоцитов (белых клеток крови), которые в случае его отсутствия не могут нормально участвовать в работе иммунной системы. Чтобы помочь девочке, медики взяли у неё несколько порций лейкоцитов, обработали их ретровирусом, содержащим здоровые гены аденозиндезаминазы, а затем возвратили в кровеносное русло. Благодаря этой терапии Ашанти выжила и превратилась в жизнерадостную молодую женщину, которая периодически мелькает в телевизионных передачах, посвящённых генной терапии.
Как приручить вирус
Точно такую же генную терапию, но только в диаметрально противоположных целях, вот уже многие миллионы лет практикуют паразитоидные осы в лице браконид и ихневмонид. В их яичниках синтезируются поли-ДНК-вирусы — особые вирусные частицы, которые вместе с яйцом паразитоида вводятся в организм жертвы. Каждый поли-ДНК-вирус несёт набор генов, предназначенных для гемоцитов и клеток жирового тела заражённого насекомого. Активация этих генов вызывает хронические перебои в работе иммунной системы жертвы. В частности, при помощи вирусов осы-паразитоиды встраивают в ДНК хозяина гены, кодирующие тирозиновые протеинфосфатазы. Эти ферменты блокируют перестройку актиновых микрофиламентов — элементов клеточного цитоскелета. Из-за проблем с цитоскелетом гемоциты насекомого-хозяина утрачивают способность соединяться между собой, что исключает инкапсуляцию инородных объектов. Поэтому яйца и личинки ихневмонид и браконид могут находиться практически в любом участке тела жертвы, не встречая никакого сопротивления со стороны её иммунитета.
Генетики не смогли определить происхождение поли-ДНК-вирусов ихневмонид — возможно, их родословная восходит к какому-то вымершему вирусу. Но зато удалось показать, что предком поли-ДНК-вирусов браконид (браковирусов) были нудивирусы — ДНК-содержащие вирусы, родственные бакуловирусам. В наши дни нудивирусы и бакуловирусы заражают самых разных насекомых. Благодаря своей избирательной патогенности они даже используются в борьбе с вредителями как альтернатива инсектицидам общего дей-ствия. Например, бакуловирусы вызывают полиэдроз гусениц — вирусное заболевание, из-за которого тело насекомого раздувается и лопается в районе межсегментных перегородок. Скорее всего, предковые формы поли-ДНК-вирусов вызывали похожие синдромы. Осы могли получить такие вирусы от своих жертв — гусениц или других насекомых.
Подхватив вирус от жертвы, паразитоидные осы каким-то образом перепрограммировали его, подменив исходный генетиче-ский материал вируса своим собственным. В это сложно поверить, но поли-ДНК-вирусы несут только осиные гены, тогда как генов вирусного происхождения у них не осталось. Исходные гены вируса, кодирующие белки его оболочки, стали составной частью генома ос. В результате вирус утратил способность воспроизводиться в телах других насекомых и стал полностью зависим от своего владельца. Было установлено, что сборка вирусных частиц производится исключительно в ядрах клеток, входящих в состав каликса — особой ткани, прилегающей к стенкам яйцеводов осы. По мере накопления вируса ядро клетки каликса раздувается, как воздушный шарик, а затем лопается вместе с наружной клеточной мембраной, и образовавшаяся жидкость, обогащённая вирусом, вместе с яйцом поступает в ткани жертвы. Из-за того, что поли-ДНК-вирусы не содержат генетических инструкций по синтезу белковой оболочки, они не могут размножаться в теле заражённого насекомого. Исследователям остаётся лишь мечтать о таких приручённых вирусах, которые могут синтезироваться исключительно в лаборатории и потому никогда не выйдут из-под контроля!
Вирусный арсенал ос: от оспы до коронавируса
Поли-ДНК-вирусы на сегодня изучены лучше всего, но это далеко не единственный инструмент в вирусном арсенале ос-наездников. В ходе эволюции они многократно приручали различные группы вирусов. Например, в ядовитых железах осы-бракониды Diachasmimorpha longicaudata, паразитирующей на личинках мух, вырабатывается особый энтомопоксвирус DlEPV, относящийся к группе поксвирусов, в которую входит и печально известный возбудитель оспы. Геном этого вируса пока ещё не изучен, но уже сейчас понятно, что он, в отличие от поли-ДНК-вирусов, способен размножаться и в теле жертвы, сохраняя тем самым определённую самостоятельность. Напротив, оса-ихневмонида Venturia canescens, которую используют для борьбы с амбарными вредителями, вместо полноценных вирусов вырабатывает вирусоподобные частицы, вообще не содержащие генетического материала. Вместо ДНК под оболочкой таких частиц скрываются вирулентные белки, блокирующие реакцию инкапсуляции. Вирусоподобные частицы, сидящие на поверхности паразитоидного яйца, впрыскивают эти белки в подплывающие гемоциты, создавая вокруг него локальную «броню» и одновременно не выводя из строя весь иммунитет жертвы, который может пригодиться на случай атаки другого потенциального конкурента-паразитоида. Считается, что предком таких вирусоподобных частиц тоже был какой-то нудивирус, но не тот, что лёг в основу браковирусов.
Паразитоиды сотрудничают не только с ДНК-содержащими вирусами, вроде поли-ДНК-вирусов и поксвирусов, но и с РНК-содержащими вирусами, то есть c теми, что хранят наследственную информацию в виде молекул РНК. Например, у осы-ихневмониды Diadromus pulchellus, заражающей куколки луковой моли, опасного вредителя лука-порея, был найден РНК-содержащий реовирус DpRV2. Этот вирус уступает по своей функциональности поли-ДНК-вирусам, поскольку не умеет полностью останавливать инкапсуляцию. Тем не менее, он тормозит выработку меланина в оболочке, образующейся из слипшихся гемоцитов вокруг паразитоида. Похожую функцию у этого же вида ос выполняет и ДНК-содержащий асковирус DpAV4. Меланин — не только пигмент, отвечающий за тёмный цвет в окраске животных. Данное вещество выполняет важную структурную роль, связывая соседние белковые цепи между собой. Поэтому в норме реакция инкапсуляции сопровождается меланизацией: меланин придаёт дополнительную прочность стенам той тюрьмы, которую иммунитет пытается возвести вокруг чужеродного объекта. Соответственно, чем меньше меланина вырабатывает организм жертвы, пытаясь заблокировать паразитоида, тем вольготнее себя чувствует последний.
Иногда паразитоиды используют вирусы для вмешательств не только в иммунитет, но и в поведение жертвы, о чём свидетельствует пример ос-браконид Dinocampus coccinellae, откладывающих яйца во взрослых божьих коровок. Личинки этого вида во время своего развития выделяют РНК-содержащий вирус DcPV из группы пикорнавирусов. Подобно полиовирусу, возбудителю полиомиелита, также относящемуся к пикорнавирусам, вирус DcPV накапливается в нервной системе жука. После того, как паразитоид выползает наружу для окукливания, вирус вызывает у божьей коровки тремор и временный паралич. На целую неделю божья коровка замирает над куколкой паразитоида, прикрывая её собственным телом от возможных невзгод. Ну чем не сценарий для антиутопии про злокозненных учёных, которые создали вирус, превращающий человечество в послушных рабов, самоотверженно заботящихся о своих поработителях?!
Интересно, что после того, как взрослая оса выводится из кокона и улетает, некоторые божьи коровки возвращаются к нормальной жизни и, несмотря на всё пережитое, даже могут успешно размножиться. Возможность такого хэппи-энда позволяет переквалифицировать личинок D. coccinellae из паразитоидов в паразитов. Деятельность последних, как я уже отмечал, не сопряжена с гибелью заражённого организма.
Кстати говоря, коронавирусы, о которых теперь наслышан каждый житель планеты, тоже принадлежат к РНК-содержащим вирусам, и, вполне возможно, паразитоидные осы не чураются использовать и их. Во всяком случае, около 20 лет назад из осы-бракониды Opius concolor был выделен неизвестный вирус с характерными шиповидными отрезками на оболочке, очень похожими на знаменитую коронавирусную «корону». К сожалению, роль этого вируса, как и многих других, пока остаётся невыясненной. Ведь надо понимать, что далеко не каждый вирус, найденный в том или ином паразитоиде, полезен для него. Он может оказаться просто случайным попутчиком или даже вредить своему носителю при определённых обстоятельствах.
Взаимоотношения вирусов и членистоногих — непаханое поле для исследований. Надеюсь, что новейшие коронавирусные события косвенным образом подстегнут интерес и к изучению многообразного вирусного арсенала паразитоидных насекомых.
Читайте в любое время
