30 января – Всемирный день борьбы с забытыми тропическими болезнями. Для многих стран малярия – давно и успешно побежденная болезнь, но до сих пор она и ее переносчики уносят ежегодно сотни тысяч человеческих жизней. Ученый Биологического института Томского государственного университета и Политехнического университета Вирджинии Игорь Шарахов рассказал в интервью газете Alma Mater, за счет чего малярийные комары выживают на планете уже 180 миллионов лет, что им помогало переживать великие вымирания и как исследования ТГУ могут помочь в борьбе с малярией.
КОРОТКАЯ ЖИЗНЬ КАК ПРЕИМУЩЕСТВО
– Игорь Валентинович, вы занимаетесь изучением генетических особенностей малярийных комаров. Расскажите, какие изменения на уровне генов позволяют этим насекомым в течение эволюционно длительного времени благополучно существовать на Земле?
– По сравнению с крупными животными, такими как динозавры или мамонты, малярийные комары способны эволюционировать значительно быстрее, а значит, они более пластичны в плане приспособления к изменяющимся условиям внешней среды на протяжении миллионов лет.
Динозавры и мамонты доживали примерно до 70-80 лет и достигали половозрелости только к 14-15 годам. Комары становятся половозрелыми через 7-10 дней после развития из яйца. Соответственно, за год у комаров может смениться несколько поколений, в отличие от более крупных животных. Генные и хромосомные мутации возникают спонтанно в половых клетках. Поэтому каждое новое поколение – это возможность для мутаций, которые могут оказаться полезными в данных условиях и сохраниться в следующем поколении.
В опубликованных исследованиях, в которых мне довелось участвовать, было показано, что каждая вторая буква ДНК (азотистое основание нуклеотида) в геномах популяций африканских малярийных комаров является полиморфной, то есть имеет мутантный вариант. Для сравнения, в геноме человека такие генные мутации встречаются в 100 раз реже. Именно накопленные в ходе эволюции генные мутации позволяют комарам быстро приспосабливаться к изменениям среды, а также вырабатывать устойчивость к разнообразным инсектицидам, используемым для контроля их численности.
Кстати, первые динозавры и комары появились на Земле примерно в одно время, в триасовом периоде, между 240 и 220 миллионами лет назад. После массового триасово-юрского вымирания живых существ 201 миллион лет назад, динозавры стали значительно разнообразнее и продолжали быть доминирующими наземными позвоночными до их вымирания 66 миллионов лет назад.
Малярийные комары (род Anopheles) возникли 180 миллионов лет назад; примерно в это же время начало увеличиваться видовое разнообразие цветковых растений, нектаром которых питались комариные самцы и самки до кровососания. Некоторые ученые считают, что малярийные комары способствовали вымиранию динозавров. Дело в том, что малярия в то время была относительно новой болезнью, и иммунная система динозавров плохо справлялась с паразитами Plasmodium, переносимыми самками комаров во время кровососания. Поэтому, когда численность комаров значительно увеличилась в тропических и субтропических условиях мелового периода со 145 до 66 миллионов лет назад, динозавры много и тяжело болели, в отличие от современных рептилий и млекопитающих, у которых иммунная система приобрела способность бороться с болезнью.
Таким образом, динозавры уже находились в состоянии упадка перед своим вымиранием, непосредственно вызванным последствиями падения метеорита на Землю 66 миллионов лет назад. После последнего массового вымирания малярийные комары увеличили видовое разнообразие и расширили диапазон хозяев для питания кровью, добавив к выжившим амфибиям и рептилиям также млекопитающих и птиц. В настоящее время насчитывается почти 500 видов малярийныx комаров рода Anopheles, из которых около 40 способны переносить возбудителей малярии человека.
СПАСИТЕЛЬНАЯ МУТАЦИЯ
– Есть ли какие-то закономерности в хромосомных изменениях, которые обеспечивают хорошую адаптивность комарам?
– Закономерности есть, например, при наличии хромосомных изменений популяции комаров распространяются на большие территории и приспосабливаются к более разнообразным условиям, чем без таких изменений. Инверсия, или поворот участка хромосомы на 180 градусов, – это наиболее распространенный тип хромосомных мутаций у двукрылых насекомых.
Хромосомные инверсии обеспечивают хорошую адаптивность комаров за счет того, что они способствуют быстрому накоплению мутаций во многих генах. Поэтому варианты генов в участке хромосомы, где произошла инверсия, отличаются oт вариантов генов в исходной неизмененной хромосоме. Обычно в популяциях имеются оба хромосомных варианта, и их частоты коррелируют с географическим распространением и экологическими адаптациями. Это означает, что, например, популяция комаров, обитающая в более южных широтах с влажным климатом, преимущественно имеет исходную (неинвертированную) хромосому с вариантами генов А, Б, В, Г, Д, тогда как популяция этого же вида, обитающая в более северных широтах с сухим климатом, преимущпреимущественно имеет инвертированную хромосому с вариантами генов а, б, в, г, д.
Инверсии могут возникать в разных участках генома, но есть хромосомы, в которых происходит накопление инверсий. Например, у африканского малярийного комара Anopheles gambiae шесть из семи распространенных полиморфных инверсий находятся на хромосомном плече 2R, одна инверсия находится на 2L, но ни одной инверсии нет на 3R, 3L или X.
Инверсионные участки хромосом могут быть разных размеров, в среднем от 5 до 20 миллионов пар нуклеотидов. Таким образом, одна инверсия может содержать десятки или даже сотни генов. Поэтому адаптация к разным режимам температуры и влажности может происходить за счет одной и той же инверсии несмотря на то, что гены, отвечающие за эти адаптации, могут быть разными.
Например, у Anopheles gambiae одна и та же инверсия 2La размером в 21 миллион пар нуклеотидов отвечaет за приспособление к питанию на человеке, засушливому климату, устойчивости к малярийному плазмодию и резистентности к целому ряду инсектицидов. То есть хромосомная инверсия работает как «генетический переключатель»: она включает наборы генных вариантов в тех условиях, где это необходимо для лучшего выживания организма.
ЭВОЛЮЦИЯ ЗАВИСИТ ОТ УСЛОВИЙ
– Игорь Валентинович, есть ли среди результатов ваших исследований данные, которые показывают, как комары генетически приспосабливаются к тем или иным условиям?
– Да, такие исследования есть и у меня, и у моих коллег из ТГУ. В свое время Владимир Николаевич Стегний с соавторами изучали сдвиг частоты температурно-зависимых инверсий в ответ на изменение климата у малярийных комаров. Они обнаружили резкое десятикратное снижение частоты инверсии «холодоустойчивости» 2R1 в двух сибирских популяциях евразийского вида An. messeae в период с 1975 по 2013 годы.
В недавней работе с моим участием было показано, что у комара Aedes aegypti наибольшее количество полиморфных инверсий находится в хромосомных плечах 1q и 3p. Интересно, что 1q и 3p у Aedes aegypti и хромосомное плечо 2R у An. gambiae имеют сходный набор генов. Именно в 2R у An. gambiae тоже накопились адаптивные полиморфные инверсии. Стоит отметить, что эти два вида комаров не являются близкими родственниками, они относятся к разным родам и разошлись в эволюции 180 миллионов лет назад. Полученные результаты указывают на то, что общие наборы генов у сильно различающихся видов неслучайно вовлечены в адаптивные мутации. В схожих условиях окружающей среды у двух далеких видов происходит параллельная эволюция.
Таким образом, высокая генная и хромосомная изменчивость позволяет комарам быстро эволюционировать и приспособиться к разнообразным и постоянно меняющимся условиям среды. Такая эволюционная стратегия комаров соответствует известному в биологии «принципу Черной королевы»: виду необходимы постоянное изменение и адаптация, чтобы существовать в окружающем мире, постоянно эволюционирующем вместе с ним, то есть «...приходится бежать со всех ног, чтобы только оставаться на том же месте».