Цитоплазматическая несовместимость
Цитоплазматическая несовместимость ( ЦИ ) – это несовместимость при спаривании, наблюдаемая у многих видов членистоногих , вызываемая внутриклеточными паразитами, такими как Wolbachia . Эти бактерии обитают в цитоплазме клеток-хозяев (отсюда и название « цитоплазматическая несовместимость своих хозяев ») и модифицируют сперму таким образом, что это приводит к гибели эмбриона, если только эта модификация не «спасается» теми же бактериями в яйцеклетках . CI зарегистрирован у многих видов насекомых (включая, среди многих других, комаров , [ 1 ] Дрозофила, плодовые мухи, [ 2 ] [ 3 ] мучные жуки , [ 4 ] морда мотыльков [ 5 ] и осы-паразитоиды [ 6 ] ), а также у клещей [ 7 ] и мокрицы . [ 8 ] Помимо Wolbachia , КИ могут вызывать бактерии Cardinium , [ 9 ] Риккетсиелла , [ 10 ] Кандидат Мезенет Лонгикола [ 11 ] [ 12 ] и спироплазма . [ 13 ] CI в настоящее время используется как механизм Wolbachia . опосредованными борьбы с заболеваниями комаров, [ 14 ]
История
[ редактировать ]Впервые КИ был зарегистрирован у комаров в 1930-х годах. [ 15 ] а затем интенсивно изучался в 1950-х годах Саббасом Гелеловичем. [ 16 ] и особенно Ханнес Лавен. [ 1 ] Лавен, по-видимому, также был первым, кто осознал потенциал видообразования, вызванного CI. [ 17 ] и контроль численности населения. [ 18 ] Первая математическая модель, раскрывающая популяционно-биологические принципы КИ, была представлена в 1959 году. [ 19 ] В 1971 году Дженис Йен и А. Ральф Барр продемонстрировали этиологическую связь между инфекцией Wolbachia и цитоплазматической несовместимостью у комаров Culex , когда обнаружили, что яйца погибают, когда сперма инфицированных Wolbachia самцов оплодотворяет свободные от инфекции яйцеклетки. [ 20 ] Открытие того, что вольбахия очень распространена и широко распространена среди членистоногих. [ 21 ] [ 22 ] привели к всплеску исследований CI в 1990-х и 2000-х годах. Несколько знаковых исследований 2010-х годов [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] открыл путь к использованию Wolbachia , индуцирующей CI, для борьбы с подавляющими заболеваниями, такими как лихорадка денге у комаров. [ 26 ] [ 14 ]
Симптомы
[ редактировать ]CI возникает, когда самец, инфицированный Wolbachia, спаривается с самкой, инфицированной другим штаммом Wolbachia (двунаправленный CI) или неинфицированной (однонаправленный CI). Любая другая комбинация не-/инфицированных мужских и женских скрещиваний совместима. Инфицированная самка совместима с любым неинфицированным самцом или с любым самцом, инфицированным тем же штаммом Wolbachia . С другой стороны, незараженная женщина совместима только с незараженным мужчиной. Другими словами, если самец заражен штаммом Wolbachia, вызывающим CI , которого нет у его партнера, это несовместимый гибрид. [ 27 ] Турелли и др. В 2018 году было обнаружено, что КИ можно решить путем заражения самок тем же штаммом, который поражает самцов, что создает стимул на уровне популяции в пользу штаммов Wolbachia, индуцирующих КИ . Они также обнаружили, что это способствует размножению фага WO . [ 28 ] Хозяев можно вылечить от инфекции Wolbachia с помощью антибиотиков.
У диплоидных организмов КИ приводит к эмбриональной смертности. Напротив, CI у гаплодиплоидных хозяев может также проявляться в виде эмбриональной смертности, но также может у некоторых видов приводить к появлению гаплоидного потомства, которое затем развивается в самцов. Близкородственные виды осы Nasonia демонстрируют эмбриональную смертность, а также развитие самцов при несовместимых скрещиваниях. Однако у N. vitripennis подавляющее большинство эмбрионов CI превращаются в самцов. [ 29 ]
Клеточный механизм
[ редактировать ]Есть два выдающихся события, которые приводят к манипуляциям, вызывающим CI. Первый происходит внутри Wolbachia, самца, инфицированного во время сперматогенеза и называется модификацией. Поскольку вольбахии отсутствуют в зрелых сперматозоидах и, по-видимому, исключаются в процессе индивидуализации, модификация должна произойти до завершения сперматогенеза. [ 30 ] Второе событие, называемое спасением, происходит внутри оплодотворенной яйцеклетки, где присутствие Wolbachia предотвращает возникновение CI. Пока штаммы Wolbachia в яйцеклетках и сперматозоидах совпадают, вредное воздействие на клеточном уровне невозможно наблюдать.
Основным последствием КИ является задержка вступления в митоз мужского пронуклеуса . Вторичным следствием этой асинхронности является то, что отцовские хромосомы не конденсируются должным образом и не выравниваются на метафазной пластинке во время первого митоза . Как следствие, только материнская хромосома нормально разделяется, образуя гаплоидные эмбрионы. [ 31 ] Спасение КИ инфицированными яйцеклетками приводит к восстановлению синхронности между женским и мужским пронуклеусом. [ 31 ] [ 32 ]
Точные механизмы того, как вольбахия осуществляет модификацию и спасение, неизвестны. У дрозофилы самые ранние эффекты, вызванные КИ, можно наблюдать уже во время ремоделирования хроматина сперматозоидов отцовских хромосом. [ 33 ] Однако было также замечено, что у других видов-хозяев дефекты, вызванные CI, возникают гораздо позже в развитии. [ 34 ]
Популяционная биология
[ редактировать ]КИ — это манипулятивный фенотип, который может привести к быстрому распространению вызывающих его бактерий. CI приводит к гибели неинфицированного потомства, и, следовательно, инфицированное потомство получает выгоду от снижения конкуренции внутри популяции. Когда бактерии, индуцирующие CI, редки в популяции, несовместимых спариваний будет немного, а отбор (или стремление) к более высоким частотам будет лишь слабым. Однако чем более распространенными становятся бактерии, тем сильнее отбор и, следовательно, тем быстрее они распространяются в популяции ( положительный частотно-зависимый отбор ). Таким образом, бактерии могут беспрепятственно быстро достигать частоты заражения 100%. [ 19 ]
Однако ряд эмпирически хорошо документированных факторов может замедлить или даже предотвратить распространение агентов, вызывающих КИ. [ 35 ] К ним относятся несовершенная материнская передача, пониженная приспособленность инфицированных лиц или неполный КИ. Когда материнская передача неполная и/или инфицированные самки имеют пониженную приспособленность, возникает «порог заражения», при котором бактерии распространяются с начальной частоты выше этого порога, но вымирают, когда их начальная частота оказывается ниже порога. [ 36 ] Порог инвазии может быть преодолен посредством случайного генетического дрейфа , чему, следовательно, способствуют небольшие (по крайней мере, локальные) размеры популяции. [ 35 ]
Более сложные сценарии, чем сценарий простой популяции-хозяина, были изучены с помощью математических моделей, включая модели с более чем одним штаммом или видом бактерий, унаследованных по материнской линии. [ 37 ] структурированные популяции хозяев, [ 38 ] случайный генетический дрейф [ 39 ] и перекрывающиеся поколения. [ 40 ]
Эволюционные последствия
[ редактировать ]CI, как описал Веррен, [ 27 ] приводит к давлению отбора на неинфицированных самцов, поскольку инфицированные самки могут спариваться как с неинфицированными, так и с инфицированными самцами, но неинфицированные самки не могут спариваться с инфицированными самцами. Поскольку вольбахия передается только самками, этот механизм способствует распространению вольбахии и, следовательно, предотвращает вольбахии вымирание из-за неполной передачи. Это привело к открытиям в области контроля передачи заболеваний путем использования Wolbachia для контроля воспроизводства популяции путем введения самцов, инфицированных Wolbachia . [ 41 ] Это наблюдалось у комаров семейства Aedes, видов Aedes albopictus и Aedes aegypti .
Видообразование
[ редактировать ]Предполагается, что CI может привести к «быстрому видообразованию ». [ 27 ] Когда две популяции одного и того же вида заражаются двумя штаммами Wolbachia A и B, они могут быть двунаправленно несовместимы, и скрещивание между двумя популяциями не приводит к получению жизнеспособного потомства. Таким образом поток генов между этими двумя популяциями прерывается, что приводит к постоянной сегрегации в развитии и, наконец, к видообразованию. Популяции развиваются до такой степени, что несовместимость будет сохраняться даже в отсутствие Wolbachia .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Лавен, Ханнес (1951). «Эксперименты по скрещиванию штаммов Culex» . Эволюция . 5 (4): 370–375. дои : 10.2307/2405682 . ISSN 0014-3820 . JSTOR 2405682 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Хоффманн, Ари А.; Турелли, Майкл; Симмонс, Гейл М. (июль 1986 г.). «Однонаправленная несовместимость между популяциями Drosophila simulans ». Эволюция . 40 (4): 692–701. дои : 10.1111/j.1558-5646.1986.tb00531.x . ISSN 1558-5646 . ПМИД 28556160 . S2CID 43623751 .
- ^ Хоффманн, А.А.; Клэнси, диджей; Мертон, Э. (март 1994 г.). «Цитоплазматическая несовместимость в австралийских популяциях Drosophila Melanogaster » . Генетика . 136 (3): 993–999. дои : 10.1093/генетика/136.3.993 . ISSN 0016-6731 . ПМК 1205902 . ПМИД 8005448 .
- ^ Уэйд, MJ; Стивенс, Л. (1 февраля 1985 г.). «Микроорганизм опосредовал репродуктивную изоляцию мучных жуков (род Tribolium)». Наука . 227 (4686): 527–528. Бибкод : 1985Sci...227..527W . дои : 10.1126/science.3966160 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 3966160 .
- ^ Сасаки, Тецухико; Исикава, Хадзиме (октябрь 1999 г.). «Инфекции Wolbachia и цитоплазматическая несовместимость миндальной и средиземноморской мучной моли» . Зоологическая наука . 16 (5): 739–744. дои : 10.2108/zsj.16.739 . ISSN 0289-0003 . S2CID 85734865 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Бреувер, Дж.А.; Веррен, Дж. Х. (9 августа 1990 г.). «Микроорганизмы, связанные с разрушением хромосом и репродуктивной изоляцией между двумя видами насекомых». Природа . 346 (6284): 558–560. Бибкод : 1990Natur.346..558B . дои : 10.1038/346558a0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 2377229 . S2CID 4255393 .
- ^ Бреувер, Йоханнес AJ (июль 1997 г.). «Вольбахия и цитоплазматическая несовместимость у паутинных клещей Tetranychus urticae и T. turkestani» . Наследственность . 79 (1): 41–47. дои : 10.1038/hdy.1997.121 . ISSN 1365-2540 . S2CID 42865450 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Море, Ю; Жюшо, П; Риго, Т. (март 2001 г.). «Эндсимбионт Wolbachia, ответственный за цитоплазматическую несовместимость у наземных ракообразных: эффекты у естественных и чужеродных хозяев» . Наследственность . 86 (3): 325–332. дои : 10.1046/j.1365-2540.2001.00831.x . ISSN 0018-067X . ПМИД 11488969 . S2CID 20992807 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Гото, Т.; Нода, Х.; Ито, С. (январь 2007 г.). «Симбионты Cardinium вызывают цитоплазматическую несовместимость у паутинных клещей» . Наследственность . 98 (1): 13–20. дои : 10.1038/sj.hdy.6800881 . ISSN 1365-2540 . ПМИД 17035954 . S2CID 7840761 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Розенвальд, Лаура К.; Ситварин, Михаил И.; Уайт, Дженнифер А. (7 июля 2020 г.). «Эндосимбиотическая риккетсиелла вызывает цитоплазматическую несовместимость у паука-хозяина» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 287 (1930). дои : 10.1098/rspb.2020.1107 . ПМЦ 7423472 . ПМИД 32635864 .
- ^ Такано, Сюн-Ичиро; Туда, Мидори; Такасу, Кейджи; Фуруя, Наруто; Имамура, Юя; Ким, Сангван; Таширо, Косуке; Иияма, Кадзухиро; Таварес, Матиас; Амарал, Акасио Кардозо (6 июня 2017 г.). «Уникальная клада альфапротеобактериальных эндосимбионтов вызывает полную цитоплазматическую несовместимость у кокосового жука» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (23): 6110–6115. Бибкод : 2017PNAS..114.6110T . дои : 10.1073/pnas.1618094114 . ISSN 1091-6490 . ПМК 5468645 . ПМИД 28533374 .
- ^ Такано, Сюн-итиро; Гото, Ясухиро; Хаяси, Тецуя (1 августа 2021 г.). «» Candidatus Mesenet longicola»: новые эндосимбионты Brontispa longissima, вызывающие цитоплазматическую несовместимость» . Микробная экология . 82 (2): 512–522. дои : 10.1007/s00248-021-01686-y . ISSN 1432-184X . ПМИД 33454808 . S2CID 231636124 . Получено 1 , ноября
- ^ Полльманн, Мари; Мур, Логан Д.; Криммер, Елена; Д'Альвиз, Пол; Хассельманн, Мартин; Перлман, Стив Дж.; Баллинджер, Мэтью Дж.; Стейдле, Йоханнес Л.М.; Готлиб, Юваль (2022). «Высоко трансмиссивная цитоплазматическая несовместимость внеклеточного симбионта насекомых спироплазмы» . iScience . 25 (5). Elsevier BV: 104335. doi : 10.1016/j.isci.2022.104335 . ISSN 2589-0042 . ПМЦ 9118660 .
- ^ Jump up to: а б Росс, Перран А.; Турелли, Майкл; Хоффманн, Ари А. (3 декабря 2019 г.). «Эволюционная экология выпусков вольбахии для борьбы с болезнями» . Ежегодный обзор генетики . 53 : 93–116. doi : 10.1146/annurev-genet-112618-043609 . ISSN 1545-2948 . ПМЦ 6944334 . ПМИД 31505135 .
- ^ Маршалл, Джон Фредерик (1938). Британские комары . Попечители Британского музея.
- ^ Гелелович, С. (1952). «О генетической детерминированности стерильности при скрещивании различных штаммов Culex autogenicus Roubaud». Еженедельные отчеты сессий Академии наук . 234 (24): 2386–2388.
- ^ Лавен, Ханнес (1 января 1959 г.). «Видообразование путем цитоплазматической изоляции в комплексе Culex Pipiens» . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 24 : 166–173. дои : 10.1101/SQB.1959.024.01.017 . ISSN 0091-7451 . ПМИД 14414640 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Лавен, Х. (октябрь 1967 г.). «Искоренение Culex pipiens fatigans посредством цитоплазматической несовместимости» . Природа . 216 (5113): 383–384. Бибкод : 1967Natur.216..383L . дои : 10.1038/216383a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 4228275 . S2CID 36662629 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Каспари, Эрнст; Уотсон, GS (1959). «Об эволюционном значении цитоплазматической стерильности комаров». Эволюция . 13 (4). Издательство Оксфордского университета (OUP): 568. doi : 10.2307/2406138 . ISSN 0014-3820 .
- ^ Йен, Дж. Х.; Барр, Арканзас (1971). «Новая гипотеза причины цитоплазматической несовместимости Culex pipiens ». Природа . 232 (5313): 657–658. Бибкод : 1971Natur.232..657Y . дои : 10.1038/232657a0 . ПМИД 4937405 . S2CID 4146003 .
- ^ Веррен, Джон Х.; Виндзор, Дональд; Го, Ли Жун (январь 1997 г.). «Распространение вольбахии среди неотропических членистоногих» . Труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 262 (1364): 197–204. дои : 10.1098/rspb.1995.0196 . S2CID 86540721 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Веррен, Джон Х.; Виндзор, Дональд М. (7 июля 2000 г.). « Частота заражения вольбахией у насекомых: свидетельство глобального равновесия?» . Труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 267 (1450): 1277–1285. дои : 10.1098/rspb.2000.1139 . ISSN 0962-8452 . ПМК 1690679 . ПМИД 10972121 .
- ^ Хеджес, Лорен М.; Браунли, Джереми К.; О'Нил, Скотт Л.; Джонсон, Карин Н. (31 октября 2008 г.). «Вольбахия и защита насекомых от вирусов» . Наука . 322 (5902): 702. Бибкод : 2008Sci...322..702H . дои : 10.1126/science.1162418 . ПМИД 18974344 . S2CID 206514799 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Морейра, Лучано А.; Итурбе-Ормаэче, Иньяки; Джеффри, Джейсон А.; Лу, Гуанджин; Пайк, Алисса Т.; Хеджес, Лорен М.; Роча, Бруно К.; Холл-Менделин, Соня; Дэй, Эндрю; Риглер, Маркус; Хьюго, Леон Э.; Джонсон, Карин Н.; Кей, Брайан Х.; Макгроу, Элизабет А.; Херк, Эндрю Ф. из; Райан, Питер А.; О'Нил, Скотт Л. (24 декабря 2009 г.). «Симбионт Wolbachia в Aedes aegypti ограничивает заражение денге, чикунгуньей и плазмодием» . Ячейка 139 (7): 1268–1278. дои : 10.1016/j.cell.2009.11.042 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 20064373 . S2CID 2018937 . Получено 1 , ноября
- ^ ТЕЙШЕЙРА, Луис; ФЕРРЕЙРА, Альваро; Эшбернер, Майкл (23 декабря 2008 г.). «Бактериальный симбионт Wolbachia индуцирует устойчивость к РНК-вирусным инфекциям у Drosophila melanogaster» . ПЛОС Биология . 6 (12): –1000002. дои : 10.1371/journal.pbio.1000002 . ISSN 1545-7885 . ПМК 2605931 . ПМИД 19222304 .
- ^ Хоффманн, Ари А.; и др. (2011). «Успешное внедрение Wolbachia в популяцию Aedes для подавления передачи денге» . Природа . 476 (7361): 454–457. Бибкод : 2011Natur.476..454H . дои : 10.1038/nature10356 . ПМИД 21866160 . S2CID 4316652 . Проверено 1 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Веррен, Дж (1997). «Биология вольбахии» (PDF) . Ежегодный обзор энтомологии . 42 : 587–609. дои : 10.1146/annurev.ento.42.1.587 . ПМИД 15012323 .
- ^ Кирш, Джошуа М.; Бжозовский, Роберт С.; Вера, Доминик; Раунд, Джун Л.; Секор, Патрик Р.; Дуеркоп, Брек А. (29 сентября 2021 г.). «Взаимодействие бактериофагов и бактерий в кишечнике: от беспозвоночных до млекопитающих» . Ежегодный обзор вирусологии . 8 (1). Годовые обзоры : 95–113. doi : 10.1146/annurev-virology-091919-101238 . ISSN 2327-056X . ПМЦ 8484061 . ПМИД 34255542 .
- ^ Трамвай, У, Фредрик, К., Веррен, Дж., Салливан, В. (2006). «Сегрегация отцовских хромосом во время первого митотического деления определяет Wolbachia фенотип цитоплазматической несовместимости, индуцированный », J. Cell Sci. 119, 10.1242/jcs.03095. http://jcs.biologies.org/cgi/content/abstract/119/17/3655
- ^ Снук, Р; Клеланд, С; Вольфнер, М ; Карр, Т (2000). «Компенсирующее влияние инфекции Wolbachia и теплового шока на выработку спермы у Drosophila simulans: анализ плодовитости, фертильности и белков добавочных желез» . Генетика . 155 (1): 167–178. дои : 10.1093/генетика/155.1.167 . ПМК 1461085 . ПМИД 10790392 .
- ^ Jump up to: а б Трамвай, У; Салливан, В. (2002). «Роль замедленного разрушения ядерной оболочки и митоза в цитоплазматической несовместимости, индуцированной Wolbachia». Наука . 296 (5570): 1124–1126. Бибкод : 2002Sci...296.1124T . CiteSeerX 10.1.1.625.2871 . дои : 10.1126/science.1070536 . ПМИД 12004132 . S2CID 23831610 .
- ^ Ласси, К; Карр, Т (1996). «Цитологический анализ оплодотворения и раннего эмбрионального развития при несовместимых скрещиваниях Drosophila simulans» . Механизмы развития . 57 (1): 47–58. дои : 10.1016/0925-4773(96)00527-8 . ПМИД 8817452 .
- ^ Ландманн, Ф; Орси, Джорджия; Лоппин, Б; Салливан, В. (2009). «Цитоплазматическая несовместимость, опосредованная Wolbachia, связана с нарушением отложения гистонов в мужском пронуклеусе» . ПЛОС Патог . 5 (3): e1000343. дои : 10.1371/journal.ppat.1000343 . ПМК 2652114 . ПМИД 19300496 .
- ^ Дюрон, О; Вейль, М. (2006). «Инфекция Wolbachia влияет на развитие эмбриона Culex pipiens при несовместимых скрещиваниях» . Наследственность . 96 (6): 493–500. дои : 10.1038/sj.hdy.6800831 . ПМИД 16639421 .
- ^ Jump up to: а б Стаутхамер, Р.; Бреувер, JAJ; Херст, GDD (1999). « Wolbachia Pipientis : микробный манипулятор размножения членистоногих». Ежегодный обзор микробиологии . 53 (1). Годовые обзоры: 71–102. дои : 10.1146/аннурев.микро.53.1.71 . ISSN 0066-4227 .
- ^ Хорошо, Пол Э.М. (1978). «О динамике симбиотзависимой цитоплазматической несовместимости у комаров-кулицинов». Журнал патологии беспозвоночных . 31 (1). Эльзевир Б.В.: 10–18. дои : 10.1016/0022-2011(78)90102-7 . ISSN 0022-2011 .
- ^ Фрэнк, Стивен А. (1998). «Динамика цитоплазматической несовместимости при множественных инфекциях Wolbachia». Журнал теоретической биологии . 192 (2). Эльзевир Б.В.: 213–218. дои : 10.1006/jtbi.1998.0652 . ISSN 0022-5193 .
- ^ Энгельштедтер, Дж; Тельшоу, А. (13 мая 2009 г.). «Цитоплазматическая несовместимость и структура популяции хозяина» . Наследственность . 103 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 196–207. дои : 10.1038/hdy.2009.53 . ISSN 0018-067X .
- ^ Янсен, Винсент А.А.; Турелли, Майкл; Годфрей, Х. Чарльз Дж (26 августа 2008 г.). «Стохастическое распространение вольбахии » . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 275 (1652). Королевское общество: 2769–2776. дои : 10.1098/rspb.2008.0914 . ISSN 0962-8452 . ПМК 2605827 .
- ^ Турелли, Майкл (2010). «Цитоплазматическая несовместимость в популяциях с перекрывающимися поколениями» . Эволюция . 64 (1). Уайли: 232–241. дои : 10.1111/j.1558-5646.2009.00822.x . ISSN 0014-3820 .
- ^ Забалова, София; Риглер, Маркус; Теодоракопулу, Марианна (9 сентября 2004 г.). «Цитоплазматическая несовместимость, индуцированная вольбахией, как средство борьбы с популяциями насекомых-вредителей» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (42): 15042–15045. Бибкод : 2004PNAS..10115042Z . дои : 10.1073/pnas.0403853101 . ПМК 524042 . ПМИД 15469918 .