זבובי פירות גונבים הגנה חיידקית כדי לשרוד צרעות טפיליות

במרוץ החימוש המתמשך בין טפילים למארחים שלהם, חדשנות נחשבה כמפתח להתקפה או הגנה מוצלחת שמגדילה את התחרות.

אבל לפעמים, כמו בעולם התאגידים, גניבה מוחלטת יכולה להיות דרך מהירה יותר להשיג דומיננטיות.

ביולוגים של אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי הראו שכמה מינים של זבובי פירות גנבו הגנה מוצלחת מפני חיידקים כדי לשרוד טריפה על ידי צרעות טפיליות, שבחלק מהזבובים יכולות להפוך מחצית מכל זחלי הזבובים לרחמי פונדקאים עבור צרעות תינוקות -; גורל מחריד שנתן השראה ליצור בסרט "חייזר" מ-1979.

חיידקים וחיידקים אחרים מפורסמים בגניבת גנים מחיידקים או וירוסים אחרים; מה שנקרא העברת גנים אופקית זו היא המקור לעמידות לאנטיביוטיקה מטרידה בקרב חיידקים גורמי מחלות. אבל נהוג לחשוב שזה פחות נפוץ באורגניזמים רב-תאיים, כמו חרקים ובני אדם. הבנה עד כמה זה נפוץ בבעלי חיים וכיצד גנים אלה משותפים ומשותפים יכולה לעזור למדענים להבין את האבולוציה של ההגנה החיסונית של בעלי חיים ויכולה להצביע על הדרך לטיפולים אנושיים כדי להילחם במחלות טפיליות או זיהומיות או בסרטן, בעצמו סוג של טפיל.

זהו מודל להבנה כיצד מתפתחות מערכות החיסון, כולל מערכת החיסון שלנו, המכילה גם גנים המועברים אופקית".

נואה וייטמן, פרופסור באוניברסיטת ברקלי לביולוגיה מולקולרית ותאית ולביולוגיה אינטגרטיבית ומנהל מוזיאון האנטומולוגיה של אסייג בקמפוס

בשנה שעברה, החוקרים ועמיתיהם בהונגריה השתמשו בעריכת גנום של CRISPR כדי לדפוק את הגן האחראי להגנה בזן זבוב נפוץ אחד, תסיסנית ananassaeוגילו שכמעט כל הזבובים המהונדסים גנטית מתו מטריפה של צרעות טפיליות.

במחקר חדש שפורסם ב-20 בדצמבר בכתב העת ביולוגיה נוכחיתהביולוגים הוכיחו כי הגנה זו -; גן המקודד לרעלן -; ניתן לערוך לתוך הגנום של זבוב הפירות המעבדתי הנפוץ, תסיסנית מלנוגסטרכדי להפוך אותם לעמידות גם בפני צרעות טפיליות. הגן בעצם הופך לחלק ממערכת החיסון של הזבוב, נשק אחד בארממנטריום שלו כדי להדוף טפילים.

התוצאות מדגימות עד כמה חיונית ההגנה הגנובה להישרדות הטיסה ומדגישה אסטרטגיה שעשויה להיות נפוצה יותר בבעלי חיים שמדענים חושדים בהם.

"זה מראה שהעברת גנים אופקית היא דרך לא מוערכת שהתפתחות מהירה מתרחשת בבעלי חיים", אמרה הדוקטורנטית באוניברסיטת ברקלי רבקה טרנופול, המחברת הראשונה של הספר ביולוגיה נוכחית נְיָר. "אנשים מעריכים העברת גנים אופקית כאחד המניעים העיקריים של הסתגלות מהירה בחיידקים, אבל חשבו שהאירועים האלה הם נדירים במיוחד בבעלי חיים. אבל לפחות בחרקים, נראה שהם די תכופים."

לדברי וייטמן, מחבר המאמר הבכיר, "המחקר מראה שכדי לעמוד בקצב של הטפילים שמתפתחים ללא הרף דרכים חדשות להתגבר על הגנת המארחים, אסטרטגיה טובה עבור בעלי חיים היא לשאול גנים מהתפתחות מהירה עוד יותר. וירוסים וחיידקים, וזה בדיוק מה שהזבובים האלה עשו".

זרימת גנים מנגיף לחיידק לעוף

ווייטמן חוקר כיצד חרקים מתפתחים כדי להתנגד לרעלים שצמחים מייצרים כדי למנוע אכילה. ב-2023 הוא פרסם ספר, "הרעל הכי טעים", על הרעלים הצמחיים שבני אדם הגיעו ליהנות מהם, כמו קפאין וניקוטין.

אינטראקציה אחת בין צמחים לאוכלי עשב שהוא מתמקד בה היא זו בין זבוב הפירות המצוי Scaptomyza flava וצמחי חרדל בטעם חמצמץ, כמו הגלבים הגדלים בנחלים ברחבי העולם.

"הזחלים, השלבים הלא בשלים של הזבוב, חיים בעלים של הצמח. הם כורי עלים, הם משאירים שבילים קטנים בעלים", אמר וייטמן. "הם טפילים אמיתיים של הצמח והצמח מנסה להרוג אותם עם הכימיקלים המיוחדים שלו. אנחנו חוקרים את מירוץ החימוש הזה".

מה שלמד, לעומת זאת, חל כנראה על חרקים רבים אחרים, בין אוכלי העשב המוצלחים ביותר על פני כדור הארץ.

"אלה זבובים קטנים לא ברורים, אבל אם אתה חושב על העובדה שמחצית מכל מיני החרקים החיים הם אוכלי עשב, זו היסטוריית חיים פופולרית מאוד. הבנת האבולוציה של זה חשובה מאוד להבנת האבולוציה באופן כללי במונחים של מידת ההצלחה של אוכלי עשב. הם," הוא אמר.

לפני מספר שנים, לאחר ריצוף הגנום של הזבוב בחיפוש אחר גנים המאפשרים לו להתנגד לרעלני חרדל, הוא גילה גן יוצא דופן שלמד שהוא נפוץ בחיידקים. חיפוש ברצפי גנום שפורסמו קודם לכן העלה את אותו גן בזבוב קשור, תסיסנית ananassaeוכן בחיידק שחי בתוך כנימה. חוקרים שחקרו את הכנימה חשפו סיפור מסובך: הגן מגיע למעשה מווירוס חיידקי, או בקטריופאג', שמדביק את החיידקים החיים בתוך הכנימה. גן הבקטריופאג', המתבטא על ידי החיידקים, הופך את הכנימה לעמידה בפני צרעה טפילית שפוקדת אותה.

צרעות אלו מטילות את ביציהן בתוך הזחלים, או הרימות, ונשארות שם עד שהזחלים הופכים לגלמים חסרי תנועה, ובשלב זה מבשילות ביצי הצרעה לזחלי צרעה הצורכים את גולם הזבובים, ובסופו של דבר מגיחים כבוגרים.

כאשר טרנופול השתמש לראשונה בעריכת גנים כדי לבטא את גן הרעלן בכל התאים של ד מלנוגסטר, כל הזבובים מתו. אבל כאשר טרנופול ביטא את הגן רק בתאי חיסון מסוימים, הזבוב הפך עמיד לטפילים כמו בן דודו, D. ananassae.

וייטמן, טרנופול ועמיתיהם גילו לאחר מכן שהגן שנמצא בגנום של D. ananassae -; מיזוג בין שני גנים רעלים, רעלן מתרחב ציטולטלי B (cdtB) ו חלבון משרה אפופטוזיס של 56kDa (aip56), שהחוקרים התקשרו אליו היתוך ב -; מקודד לאנזים שחותך DNA.

כדי לגלות כיצד הגרעין הזה מסוגל להרוג ביצת צרעה, חוקרי UC ברקלי פנו לאיסטוואן אנדו במכון לגנטיקה של מרכז המחקר הביולוגי HUN-REN בסגד, הונגריה, אשר הראה בעבר כי לאותם זבובים יש הגנה תאית מפני ביצי צרעה שבעצם מרחיקה את הביצים מגוף הזבוב והורגת אותן. אנדו ועמיתיו למעבדה יצרו נוגדנים לרעלן שאפשרו להם לעקוב אחריו דרך גוף הזבוב וגילו שהנוקלאז בעצם מציף את גוף הזבוב כדי להקיף ולהרוג את הביצה.

"מצאנו את העולם העצום הבלתי מנוצל הזה של גורמי חיסון הומוראליים שעשויים לשחק במערכת החיסון של חסרי חוליות", אמר טרנופול. "המאמר שלנו הוא אחד הראשונים שהוכיחו, לפחות בתסיסנית, שסוג זה של תגובה חיסונית עשוי להיות מנגנון נפוץ שבאמצעותו מתמודדים עם אויבים טבעיים כמו צרעות ונמטודות. הם קטלניים בטבעם הרבה יותר מאשר חלקם הזיהומים המיקרוביאליים שרוב האנשים עובדים איתם."

ווייטמן ועמיתיו עדיין בוחנים את המורכבות של אינטראקציות אלה בין זבוב לצרעה, ואת השינויים התאיים והגנטיים שאפשרו לזבובים לסנתז רעלן מבלי להתאבד.

"אם הגן מתבטא ברקמה הלא נכונה, הזבוב הולך למות. הגן הזה לעולם לא יסחוף את האוכלוסיות דרך הברירה הטבעית", אמר וייטמן. "אבל אם זה נוחת במקום בגנום שנמצא ליד איזה משפר או רכיב רגולטורי כלשהו שמבטא את זה קצת ברקמת גוף שומן, אז אתה יכול לראות איך זה יכול להרים את הרגל הזה ממש מהר, אתה מקבל את היתרון המדהים הזה. "

העברת גנים אופקית בכל אורגניזם תגרום לבעיות דומות, אמר, אבל במירוץ החימוש בין טורף לטרף, זה עשוי להיות שווה את זה.

"כשאתה זבוב פירות קטן ומסכן, איך אתה מתמודד עם הפתוגנים והטפילים האלה שמתפתחים במהירות כדי לנצל אותך?" הוא אמר. "דרך אחת היא לשאול גנים מחיידקים ווירוסים כי הם מתפתחים במהירות. זו אסטרטגיה גאונית -; במקום לחכות שהגנים שלך יעזרו לך, קח אותם מאורגניזמים אחרים שמתפתחים מהר יותר מאשר הם עצמם. נראה שזה קרה פעמים רבות באופן עצמאי אצל חרקים, בהתחשב בכך שכל כך הרבה שונים תפסו את הגן הזה, זה נותן לנו תמונה של סוג חדש של דינמיות מתרחש אפילו בבעלי חיים שיש להם רק מערכת חיסונית מולדת ואין להם חסינות מסתגלת".

עבודתו של וייטמן מומנה על ידי המכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית של המכונים הלאומיים לבריאות (R35GM119816). מחברים אחרים של המאמר הם ג'וזפין טמסיל, ג'י הון הא, קירסטן ורסטר וסוזן ברנשטיין מאוניברסיטת ברקלי, Gyöngyi Cinege, Edit Ábraham, Lilla B. Magyar וזולטן ליפינסקי מהונגריה וברנרד קים מאוניברסיטת סטנפורד.