Волбахията е интересна сама по себе си като уникален природен обект. Изучаването на тази бактерия позволява по-добре да се разберат общите принципи за установяване и развитие на симбиотичните системи, отношенията паразит и гостоприемник, общите закони на коеволюцията на видовете.

Сложността на манипулациите, осъществявани от волбахията върху нейните гостоприемници правят задачата за разгадаването на молекулярно-генетичните механизми на въздействието й още по-привлекателна. Разшифроването им ще даде на хората мощни нови средства за влияние на живите организми и природата като цяло.

Геномът на волбахията

В началото на март 2004 г. били публикувани първите резултати на разшифровката на генома на една от разновидностите на волбахията Wolbachia Drosophila melanogaster (wMel) – вече напълно са разшифровани геномите на още три разновидности волбахия – Wolbachia wAna, Wolbachia wSim и Wolbachia wMoj.

Анализирайки последователността на нуклеотидите на единствената молекула ДНК на волбахията с биоинформациони методи, учените се надяват да идентифицират гените и белтъците, с помощта на които волбахията манипулира своите приемници.

Размер на генома

Wolbachia pipientis се отнася към групата на алфа-протеобактериите и е най-близка с подобни на Rickettsia бактерии Cowdria и Anaplasma – патогени на млекопитещите, пренасяни от членестоногите.

Облигатният вътрешноклетъчен паразитизъм налага определени ограничения на дължината на молекулата ДНК на бактерията и затова размерът на генома на волбахията (0.95-1.66 Мв) е приблизително равен на размера на генома на други вътрешноклетъчни прокариоти като Rickettsiales, например Rickettsia provazekii (1.11Мв) или Rickettsia conori (1.26 Mв), и е по-малък от генома на свободно живеещи бактерии, например Echerichia coli. (4.7 Мв).

Геномът на волбахията е малък по размер (в щама wMel – 1,267,782 двойки бази, 1322 “предсказани” гена) , което е характерно за бактериите – облигатни вътрешноклетъчни паразити, прехвърлящи значителна част от задачите на собствената си жизнено осигуряване на гостоприемника. Геномът на волбахията е силно опростен (streamlined). Но затова пък в генома е открито необичайно голямо количество мобилни генетични елементи, в това число три профага (а при някои други щамове са открити активни фаги), а също повтарящи се последователности (секвенции). Повече информация: Phylogenomics of the Reproductive Parasite Wolbachia pipientis wMel: A Streamlined Genome Overrun by Mobile Genetic Elements

Мобилни генетични елементи

Това е уникална особеност на волбахията, отличаваща я от всички останали вътрешноклетъчни бактерии. От гледна точка на еволюционната генетика, тук има явен парадокс: от една страна, е налице ярко изразена тенденция към опростяване (нищо излишно!), от друга – рекордно голямо количество мобилни генетични елементи, които на пръв поглед изглеждало, в хода на опростяването на генома би трябва да бъдат едни от първите елиминирани като незадължителни за преживяването на бактериите в твърде стабилната среда на обитаване – цитоплазмата на клетките на приемника. Генетичният анализ показал, че откритите във волбахията мобилни генетични елементи съвсем не бездействат.

Геномът носи следи от многочислени и чести реорганизации, свързани с премествания на мобилни генетични елементи и с голямо разпространение на повторения, които могат да служат като
местоположения на вътрешногеномни рекомбинации. Сравнението на геномите на различни щамове волбахия потвърждават това. Още по-ясно доказателство за постоянно действащите при волбахията активни премествания на участъци на генома е сравнението на реда на разположението на гените в пръстеновидните хромозоми на волбахията и най-близкия й родственик – рикетсията. Наборът гени в тези бактерии е почти еднакъв, обаче в реда на разположение в хромозомите не се наблюдава практически никакво сходство.

Съдейки по всичко, мобилните елементи са играли много важна роля в еволюцията на волбахията.

Филогения на Wolbachia pipientis

Филогенетичните връзки вътре в групата на Wolbachia се описват въз основа на данните за структурата на няколко гена: 16S рРНК , ftsZ (ген на клетъчното делене) , groEl (бактериален белтък на топлинния шок) и wsp (белтък на обвивката на волбахията)

Видът Wolbachia pipientis се разделя на шест групи от A до F, разделени на основата на анализа на последователностите на нуклеотидите в гена ftsZ и гена 16S рРНК.

В групите А и В попада волбахията, открита в кърлежи, насекоми и ракообразни. Групите С и D се състоят от бактериите, населяващи филариите – паразитните нематоди – възбудители на доста неприятни болести, за които говорихме в предишната тема. Към групата Е се отнася една единствена волбахия, намерена в колембола Folsomia candida- вид влаголюбиво безкрило насекомо. Група F е образувана от бактерии-симбионти на термити и някои бръмбари. Прекарайте мишката по групите вдясно, за да видите по някой техен представител

Волбахията от групите А, В, Е предизвиква нарушения в репродукцията на членестоногите, волбахията от група С- D е облигатен мутуалистичен симбионт на нематодите, ефектите на бактериите от група F са неизвестни.

Разделянето на групи А-В и C-D е станало приблизително преди 100 милиона години. Нематодите и членестоногите са се разделили преди повече от 600 милиона години. Това позволява да се предположи, че преди около 100 милиона години или е имало хоризонтално пренасяне на бактерии между тези групи, или и едните и другите са получили волбахията от някакъв трети организъм. Малко е вероятно, че волбахията по това време е била свободно живееща форма, защото групата бактерии, към която тя се отнася е придобила способността за вътрешноклетъчно съществуване преди повече от 100 милиона години.

	Резултатите от филогенетичните изследвания (преди всичко, отсъствието на паралелност между филогенията на гостоприемник и симбионт) свидетелстват за интензивно междувидов хоризонтален пренос на Wolbachia, станал в последните 0-2.5 милиона години.
	Вероятно филогенетично дърво на Wolbachia, построено на основата на данните за последователности на гена wsp, докладвано от Zhou et al (1998). Щамовете волбахия са обозначени с и имената на видовете на техните гостоприемници. Източник: Wolbachia, sex ratio bias and apparent male killing in the harlequin beetle riding pseudoscorpion

Хоризонтален пренос

Има различни предположения за начините и направленията на този пренос. Известно е, че волбахията може да бъде пренесена по естествен път от паразитната оса Leptopilina boulardi от гостоприемника й Drosophila simulans. Хоризонтален пренос на бактерии при мокриците е възможен и при контакт на хемолимфите на заразени и незаразени индивиди. За доказан хоризонтален пренос се приема когато в една система паразит – гостоприемник и двата участника са носители на филогенетично близки или даже идентични щамове бактерии. Такива примери са паразитната оса от рода Nasonia и гостоприемника й – мухата Sarcophaga и паразитната оса от рода Trichogramma и гостоприемника й – молеца Ephestia kuehniella. Явно е хоризонталния пренос е възможен по кръвен път, макар че на практика е доста рядко явление.

Митохондрията и волбахията

Изучаването на волбахията има немаловажно значение и за разбирането на произхода на еукариотната клетка. Работата е там, че волбахията се отнася към групата на алфа-протеобактериите, от които произлизат предците на митохондриите.

Сравнителният анализ на взаимоотношенията на нуклеоцитоплазмата на еукариотите с митохондриите и с волбахиите позволява по-добре да се разберат много аспекти от възникването на еукариотите. Обаче се оказало, че разликите са доста повече от сходствата. Нещо повече, взаимодействието на клетките с митохондриите представлява пълна противоположност на взаимодействието с волбахията.

Най-важна роля във взаимоотношенията на ендосимбионта с еукариотната клетка играе външната обвивка – полупроницаема разграничителна прослойка, от свойствата на която зависи ставащия между двата организми обмен на вещества и информация. Волбахията, живееща в цитоплазмата на гостоприемника, е обкръжена с двойна мебрана така, както и митохондриите. Вътрешната мембрана “принадлежи” на самата волбахията, външната е продукт на клетката на стопанина. Предполага се, че двойната мембрана на митохондриите има такъв “двоен” произход.

Снимка на Wolbachia pipientis. Източник: Laboratoire de Genetique et Biologie des Populations de Crustaces

Обвивка

Свободно живеещите грам-отрицателни бактерии (такива са и алфа-протеобактериите) обикновено имат сложна клетъчна стена, състояща се от три слоя: вътрешна цитоплазмена мембрана, периплазмено пространство, съдържащо пептидогликан и външна мембрана. Предците на митохондриите, ставайки облигатни симбионти на древните еукариоти, загубили външните слоеве на своята обвивка, съхранявайки само цитоплазмената си мембрана, а нуклеоцитоплазмата образувала външната мембрана на новопридобитите органели.

Волбахията и нейните предци са облигатни вътрешноклетъчни симбионти или паразити вече в течение на стотици милиони години и за това време те са загубили много гени, необходими за синтеза на нормална клетъчна стена.

За разлика от митохондриите, волбахията съхранявая средния слой клетъчна стена, съдържаща пептидогликан. Този среден слой с периплазматично пространство при митохондриите не се наблюдава.

Метаболизъм

Тъй като е аеробна бактерия, много близка по организацията на енергийния си метаболизъм до митохондриите, волбахията би могла да бъде не по-малко полезен симбионт, допълвайки енергийния обмен на нуклеоцитоплазмата на гостоприемника по комплементарен (взаимно допълващ) принцип. Обаче това не се случва. Метаболизмът на волбахията като цяло е организиран така, че да причинява на гостоприемника най-малка вреда, но и няма видима метаболитична “полза” .

Регулация

Еукариотната клетка има редица ефективни средства за регулация на дейността на митохондриите. В частност, сигналите се предават в митохондрията с помощта на йони Ca²⁺. Сигналната роля на йоните на калция в нуклеоцитоплазмата обикновено се опосредства от специални белтъци – калмодулини. В митохондриите калциевите йони действат непосредствено на ензимите без посредничеството на други белтъци.

Клетката на гостоприемника не може да използва нито едно от тези средства за регулация на дейността на волбахията заради отсъствието в бактерията на съответните рецептори, протеин-киназа и йонни канали .

Най-главното средство, осигуряващо на нуклеоцитоплазмата пълен контрол над дейността на митохондриите се основава на това, че по-голямата част от митохондриалния протеом (пълния комплект белтъци) се кодира от ядрените гени. Повечето от тях имат алфа-протеобактериален произход и изначално са се намирали в хромозомата на предците на митохондриите, но впоследствие били пренесени в ядрения геном. Синтезът на белтъци и доставката им в митохондриите, естественно се намира под контрола на сигналните, регулаторни и транспортни системи на ядрото.

Бактерията Wolbachia (B) и митохондриите (m) в цитоплазмата на яйцето на мравката Gnamptogenys menadensis. Източник: Conflict in insect societies

Забележими следи от пренос на гени на волбахията wMel към ядрения геном на гостоприемника не са открити. Следователно това мощно средство на въздействия не може да се използва от клетката по отношение на паразитните бактерии.

Редукцията на сигнално-регулаторните системи правят вътреклетъчните бактерии по-независими от всевъзможните сигнали, постъпващи отвън, то ест от гостоприемника и силно намалява вероятността гостоприемникът да съумее да изработи някакви начини на управление на симбионта. Волбахията фактически управлява репродукцията, развитието и даже еволюцията на своите гостоприемници и прави това така, както й е изгодно.

Волбахията като “антимодел” за произхода на еукариотите

Взаимоотношенията на клетката с митохондриите и волбахията в много отношения представяват пълна противоположност. Възниква въпроса: защо толкова близкородствени видове микроорганизми, като волбахията и предците на митохондрията, са построили своите взаимоотношения с еукариотната нуклеоцитоплазма са толкова различни принципи? Защо митохондрията напълно се е “подчинила” на нуклеоцитоплазмата, докато вольбахията напротив, сама контролира функционирането й?

Ключът към тази загадка е факта, че повечето гени на протомитохондриите били пренесени в ядрения геном на ранни етапи на оформянето на еукариотната клетка, докато гените на волбахията в геном а на гостоприемника, изглежда практически не са се пренасяли. Включването на митохондриалните гени в ядрения геном, интеграцията им в ядрено-цитоплазмените генни мрежи и сигнално-регулаторните системи изключили всяка възможност за “егоистична” еволюция на митохондриите. Волбахията, обратно, съхранила достатъчно високо ниво на самостоятелност не само по отношение на експресията (синтеза на белтъци) на собственните им гени, но и на метаболично ниво. Това й позволява не само да извършват от време на време “хоризонтални” преходи между различни видове гостоприемници, но и бързо да еволюират “егоистично”, да изработват различни нови начини за управление на своите гостоприемници, не винаги безболезненни за тях.

Източници:
БАКТЕРИИ УПРАВЛЯЮТ ПОЛОВЫМ РАЗМНОЖЕНИЕМ НАСЕКОМЫХ – И.А.Захаров
БАКТЕРИИ РОДА Wolbachia -РЕПРОДУКТИВНЫЕ ПАРАЗИТЫ ЧЛЕНИСТОНОГИХ – И.И.Горячева
Городской комар – Е. Б. Виноградова,
Антимужской микроб- Александр Марков
Бактерия вольбахия – повелитель мух А.В.Марков, И.А.Захаров-Гезехус
Вольбахия и проблема происхождения эукариот – А.В.Марков, И.А.Захаров-Гезехус
Геном вольбахии и молекулярные механизмы ее воздействия на хозяев – А.В.Марков, И.А.Захаров-Гезехус
ЭНДОЦИТОБИОНТЫ КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ (ГРОМОВ Б.В. , 1998)
WOLBACHIA PIPIENTIS: Microbial Manipulator
of Arthropod Reproduction R. Stouthamer, J. A. J. Breeuwer, and G. D. D. Hurst
Wolbachia Genome Project
Genome Sequence of the Intracellular Bacterium Wolbachia
Bacterium Can Alter Evolution Of Another Species
Phylogenomics of the Reproductive Parasite Wolbachia pipientis wMel: A Streamlined Genome Overrun by Mobile Genetic Elements