Современные исследования клещей

Акаролог Павел Климов рассказывает, как клещи оптимизировали РНК, нашли новый способ бороться с транспозонами и научились есть кератин

Сохранить в закладки
15366
132
1 августа 2018
Сохранить в закладки

В проекте «КлещИ» совместно c Институтом экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) Тюменского государственного университета рассказываем, что такое клещи, чем они полезны сельскому хозяйству и почему акарология — наука будущего. 

Клещи — древняя и исключительно разнообразная группа живых организмов. За сотни миллионов лет они приспособились к жизни практически во всех возможных местообитаниях и освоили способы питания, недоступные прочим животным, — в частности, они могут питаться птичьими перьями. Долгая адаптация к мелким размерам тела и разнообразным новым условиям отразилась не только во внешнем виде и поведении, но и в адаптациях на молекулярном уровне. Недавние исследования геномов и РНК клещей показывают, что и тут они сильно отличаются от других животных. Вот только несколько важных фундаментальных открытий, совершенных благодаря изучению молекулярно-генетических особенностей этой группы.

Миниатюризация РНК

В лаборатории Мичиганского университета мы занимаемся секвенированием геномов [tooltip word="клещей домашней пыли» text="Клещи обитают в домашней пыли, питаются частичками отмершей кожи человека и вызывают аллергию."].

Клещи очень маленькие, и, как выяснилось, у большинства из них, за исключением самых крупных, [tooltip word="иксодовых» text="Иксодовые клещи — группа кровососущих клещей, паразитов животных и человека. Представителей группы иксодовых клещей в народе называют «энцефалитными» — именно они переносят клещевой энцефалит, боррелиозы и ряд других опасных заболеваний."], геномы тоже очень маленькие. Мы изучали часть рибосомы, которая составлена из рибосомальной РНК — это структурная РНК, которая имеет каталитические функции фермента, как многие белки. У пылевых клещей структурные РНК, которые составляют бо́льшую часть рибосомы, очень маленькие по сравнению с другими животными, но, несмотря на это, точно так же выполняют фундаментальную функцию синтезирования белка в клетке.

Кроме того, мы изучали транспортные РНК. В школьных учебниках транспортные РНК рисуют в форме листа клевера, а на самом деле у них сложная трехмерная структура. Оказалось, что у клещей транспортные РНК совершенно другие: они почти палочкообразные. Они сами настолько миниатюрны, что даже форма и функция молекулярного аппарата эволюционировали до совершенства. Их транспортные РНК стали гораздо меньше, чем у любых других животных.

После того, как мы сделали это открытие, появились статьи других исследователей, которые подтвердили, что короткие транспортные и рибосомальные РНК существуют у других клещей. С помощью этих знаний можно сделать акарицид — препарат, который селективно будет убивать только клещей. Он будет действовать только на короткие РНК и для других животных и насекомых будет не опасен.

Об этом исследовании можно почитать статью Павла Климова:

Improved tRNA prediction in the American house dust mite reveals widespread occurrence of extremely short minimal tRNAs in acariform mites, P. Klimov and B. OConnor, BMC Genomics 2009

Борьба с транспозонами

Геном клещей домашней пыли тоже имеет много особенностей. Оказалось, например, что они пользуются уникальным механизмом борьбы с транспозонами. 

Транспозон — это паразитическая ДНК. Короткие участки ДНК, которые не имеют никакой функции, но могут встраиваться в ДНК хозяина, размножаться и передаваться по наследству. Иногда транспозоны полезны, но чаще вредны. В геноме человека транспозоны занимают очень много места, и наши клетки с ними борются. Большинство людей не подозревают, что происходит такая широкомасштабная война на молекулярном уровне ДНК. Если механизм борьбы с транспозонами не работает, популяция обречена: они начнут размножаться без контроля.

Геномные паразиты человека

У большинства организмов есть специальный механизм под названием PIWI, который регулирует размножение и репликацию транспозонов. Специальные короткие РНК, примерно 20 нуклеотидов, могут их распознавать. РНК находят транспозоны и прикрепляются к ним с помощью водородных связей, а затем этот комплекс находят белки, которые режут транспозоны на две половинки и делают неактивными.

Схематическое изображение перемещения транспозона с помощью механизма «вырезать и вставить» // Wikipedia Commons
Схематическое изображение перемещения транспозона с помощью механизма «вырезать и вставить» // Wikipedia Commons

У клещей PIWI-механизма нет. Зато в геноме клещей мы нашли гены, которые составляют каталоги ретротранспозонов. С помощью этих каталогов происходит синтез микро-РНК, которые находят ретротранспозоны и уничтожают их.

Эти уникальные микро-РНК можно использовать для генетической инженерии, поскольку их функция в том, чтобы находить участок в геноме и уничтожать его. У микро-РНК существует очень точная функция поиска определенного участка генома. Если этот участок вреден, его можно дезактивировать с помощью ферментов или порезать на куски. Если участок представляет какой-то интерес, туда можно вставить необходимый ген.

Об этом исследовании можно почитать статью Павла Климова:

Rewired RNAi-mediated genome surveillance in house dust mites Mosharrof Mondal, Pavel Klimov, Alex Sutton Flynt 

Клещи и необратимость эволюции

У клещей домашней пыли очень интересная экология. Одно из исследований, которое можно сделать с помощью современных технологий, — с помощью ДНК-секвенирования строить филогенетические деревья, которые представляют план эволюционного развития организмов миллионы лет назад. Вся эволюция клещей может быть представлена в виде дерева. Время, когда веточки из этого дерева отделялись от ствола, потом раздваивались и образовывались новые виды, можно узнать с помощью молекулярных часов. Мы построили филогенетическое дерево примерно 300 видов на основании последовательностей пяти генов, выделенных из более чем 300 видов [tooltip word="астигматических» text="Астигматические клещи — подотряд клещей, включает более 3400 видов, среди них множество паразитов животных и человека, в том числе чесоточные клещи и клещи домашней пыли."] клещей.

У нас получилось, что в самом начале эволюции астигматические клещи были свободноживущими. Они питались органическими веществами, не хранящимися долгое время, например грибами, которые появляются на несколько недель, а затем исчезают. В начале своей эволюции астигматические клещи специализировались на местообитаниях, которые существуют короткое время, но содержат большое количество еды. Такая стратегия сильно отличается от того, что мы можем видеть, например, у почвенных клещей. Почва — местообитание, которое не имеет ни конца, ни начала и содержит очень мало питательных веществ. Почвенным клещам приходится преодолевать большие расстояния и питаться низкокалорийными веществами.

Дерево астигматических клещей. Синим обозначены свободноживущие, красным — паразитические ветви // Klimov and OConnor
Дерево астигматических клещей. Синим обозначены свободноживущие, красным — паразитические ветви // Klimov and OConnor

Астигматические клещи пошли по другому пути. Они находят место с большим количеством еды, начинают размножаться очень быстро, создают огромную популяцию. Когда на этом месте питаться больше нечем, клещ прикрепляется к насекомому, оно переносит его в новое место, и жизненный цикл продолжается. Такая стратегия расселения называется форезией: клещи могут путешествовать, прикрепляясь к насекомым, птицам или млекопитающим.

Постепенно клещи стали вырабатывать очень близкие взаимоотношения со своими переносчиками. Они поняли, что можно питаться этими организмами, и стали паразитами. Среди астигматических клещей есть паразиты насекомых, птиц и млекопитающих. Они живут в разных местах: на шерсти, на перьях, на коже, внутри носовых пазух, в респираторных путях, легких. Это очень большая группа — 4000 видов только тех, что живут на млекопитающих и птицах. Все они произошли от одного предка.

Сначала какой-то один вид клещей стал паразитом и дал огромное количество потомков, тысячи видов, которые заселили всех существующих птиц и млекопитающих. Внутри этого дерева паразитических видов мы находим клещей домашней пыли — они не паразитические, а свободноживущие.

Возврат от паразитического образа жизни к свободноживущему многими учеными рассматривался как невозможный, поскольку, будучи паразитами на протяжении миллионов лет, очень сложно сохранить признаки, которые необходимы для свободного образа жизни. У паразитов появляются специальные приспособления для паразитирования, происходят серьезные изменения в геноме. Считается, что после эволюции в качестве паразита на протяжении миллионов лет невозможно перейти к свободноживущему образу жизни. Дерево астигматических клещей показало совсем другой результат. Многие с нами спорили, но мы ожидали этого: такой вывод имеет смысл с экологической точки зрения.

Для паразитов, которые живут на птицах и млекопитающих, хозяин — основной источник еды. Птица когда-то умирает, и, если она не оставляет потомства, на которое переходят клещи, все клещи умирают вместе с ней. Это неудобно. Некоторые паразиты питаются кровью, и это может привести к гибели хозяина, которая невыгодна паразиту. С течением эволюционного времени паразиты старались причинить как можно меньше вреда хозяевам, но размножаться в огромных количествах.

У одной группы клещей появились сильные ферменты, позволяющие расщеплять кератин. Большинство животных неспособно переваривать этот белок, поэтому у клещей появилось эволюционное преимущество. Они смогли потреблять трудноперевариваемые вещества: чешуйки кожи млекопитающих, перья птиц.

Иногда они даже не причиняют вреда своим хозяевам. Когда птицы высиживают птенцов, они сбрасывают большое количество перьев, и гнездо становится для клещей складом еды. Клещи, паразитировавшие на птицах, перешли в гнездо — большой источник кератина. Стратегия оказалась успешной.

Линия клещей, которых мы называем паразитическими, существует уже более 80 миллионов лет. Они перешли в гнезда птиц и стали свободноживущими — один из редких примеров опровержения закона необратимости эволюции.

Эволюция этих свободноживущих видов от паразитического предка — интересный процесс, но если рассмотреть исторические условия, в которых это произошло, то он вполне закономерен.

И об этом исследовании можно почитать статью Павла Климова:

Is Permanent Parasitism Reversible? Critical Evidence from Early Evolution of House Dust Mites, P. Klimov and B. OConnor, Systematic Biology 2013  

Фото обложки: Wikipedia Commons

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration