Wolbachia是世界上最成功的寄生蟲。你從來沒有聽說過它，因?yàn)樗粫?huì)感染蟲子：全球數(shù)百萬種昆蟲，蜘蛛，蜈蚣和其他節(jié)肢動(dòng)物。過度成功的細(xì)菌成功的秘訣在于它能夠劫持宿主的繁殖。生物學(xué)家已經(jīng)知道，Wolbachia擁有這種力量超過40年，但現(xiàn)在只有范德比爾特和耶魯大學(xué)的生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)確定了賦予這種卓越能力的特定基因。這兩所大學(xué)已經(jīng)申請(qǐng)了這些基因潛在用途的專利，以便對(duì)細(xì)菌寄生蟲或昆蟲本身進(jìn)行基因工程，以產(chǎn)生更有效的方法來控制登革熱和寨卡病等昆蟲傳播疾病的傳播，并減少對(duì)這些疾病的破壞。農(nóng)業(yè)害蟲。

該成就描述于Nature雜志的一篇題為“Prophage WO Genes Recapitulate and Enhance Wolbachia- induced Bulated Cytoplasmic Incompatibility”的論文中，以及在2月27日在線發(fā)表的Nature Microbiology的題為“A Wolbachia deubiquitylating enzyme induces cytoplasmic incompatibility” 的配套文章中描述。

“幾十年來，我們已經(jīng)知道Wolbachia成功的秘訣在于它會(huì)干擾宿主繁殖，以便通過雌性傳播。但細(xì)菌如何做到這一點(diǎn)對(duì)于該領(lǐng)域來說是一個(gè)重大的謎團(tuán)，”副教授說。生物科學(xué)學(xué)院的Seth Bordenstein，領(lǐng)導(dǎo)范德比爾特特遣隊(duì)。“現(xiàn)在我們知道了賦予它這種能力的基因。”

Wolbachia通常通過稱為“細(xì)胞質(zhì)不相容性”或CI的過程操縱其宿主的繁殖。這使受感染的雄性精子對(duì)未感染雌性的卵子致死。研究人員已經(jīng)確定了一對(duì)Wolbachia基因只有在一起工作時(shí)才能產(chǎn)生這種效應(yīng)。

當(dāng)感染的雄性與未感染的雌性交配時(shí)，幾乎沒有卵孵化。然而，當(dāng)受感染的雄性與受感染的雌性交配或當(dāng)未感染的雄性與受感染的雌性交配時(shí)，它們產(chǎn)生與未感染的雄性和雌性交配時(shí)相同數(shù)量的后代。這最大化了每一代產(chǎn)生的受感染雌性的數(shù)量，這有益于Wolbachia，因?yàn)樗煌ㄟ^母系傳播。

“這是一種非常有效的策略。在理想的條件下，它允許Wolbachia在幾代或幾年內(nèi)感染整個(gè)宿主，”Bordenstein說。多年來，科學(xué)家一直在尋找使用這種天然細(xì)菌來控制傳播人類疾病的蚊子的方法，他們最近有一些值得注意的早期成功。

Wolbachia通常不存在于埃及伊蚊(Aedes aegypti)中，這種蚊子傳播登革熱，寨卡病毒和基孔肯雅病毒。然而，十年前，一群澳大利亞科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將Wolbachia引入伊蚊時(shí)，它可以防止這些疾病病毒的生長。這導(dǎo)致了一項(xiàng)名為“消滅登革熱”的國際非營利性合作。

結(jié)果非常有希望，因此這些小組正在世界各地進(jìn)行實(shí)地研究，以確定使用Wolbachia控制寨卡病毒和登革熱的最有效方法，這被認(rèn)為是世界上最重要和最迅速傳播的蚊子傳播的病毒病。 。

肯塔基州的“MosquitoMate”等其他舉措也采用這種方法通過釋放受感染的雄性蚊子來抑制蚊子種群的大小，這種蚊子通過CI對(duì)野外未受感染的雌性進(jìn)行滅菌。

“使用Wolbachia來消除或抑制登革熱和寨卡病毒的傳播有兩種基本方法，”Bordenstein說。

這種稱為人口替代的穩(wěn)定方法是引入感染了沃爾巴克氏體的雄性和雌性，因此它們自己傳播細(xì)菌，直到最終取代常住種群。隨著它們的傳播，登革熱和寨卡傳播的風(fēng)險(xiǎn)下降，因?yàn)槲譅柊涂耸象w可以防止這些病毒復(fù)制。

第二種方法稱為人口抑制，即引入大量受感染的雄性。因?yàn)榕c受感染的雄性交配的未感染雌性不能繁殖，這減少了攜帶疾病的昆蟲或農(nóng)業(yè)害蟲的目標(biāo)群體的大小。

第一種方法是緩慢但穩(wěn)定的，最終應(yīng)該導(dǎo)致疾病傳播的減少或虛擬消除。第二種方法更快但昆蟲種群可以反彈，因此必須反復(fù)施用。

范德比爾特研究人員發(fā)現(xiàn)，使用基因工程將Wolbachia CI基因插入受感染的昆蟲可以增強(qiáng)不相容效應(yīng)，從而顯著降低與受感染雄性交配的未感染雌性的孵化率。結(jié)果，它可能增加細(xì)菌擴(kuò)散的速度。

該結(jié)果提出了兩種可能性，這是本專利申請(qǐng)的主題：一種是通過插入更多的CI基因拷貝來直接轉(zhuǎn)化Wolbachia菌株。當(dāng)用于種群替換時(shí)，感染這種“超級(jí)Wolbachia ”的昆蟲應(yīng)該更快地傳播，并且當(dāng)用于種群替換或抑制時(shí)可以更有效。另一種是將CI基因插入昆蟲的基因組中，這樣它們就可以直接導(dǎo)致CI。這將使得可以使用該技術(shù)來抑制對(duì)Wolbachia感染具有抗性的昆蟲物種。

Bordenstein和他的同事近二十年來一直在尋找CI基因，并通過測序和比較導(dǎo)致和不導(dǎo)致CI的菌株的Wolbachia基因組來追蹤它們。然后他們使用消除過程來追蹤負(fù)責(zé)任的基因。他們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)有希望的基因。然而，當(dāng)研究人員將這些基因中的每一個(gè)插入果蠅的基因組中時(shí)，它就完全破滅了。它們都沒有影響蒼蠅的繁殖：它們的卵正常孵化。

“然而，當(dāng)我們一起嘗試它們時(shí)，它會(huì)把屋頂吹掉，”博登斯坦說。“我們能夠在遺傳上繁殖并增強(qiáng)果蠅的CI效應(yīng)。”

根據(jù)生物學(xué)家的說法，CI基因的起源仍然是一個(gè)完整的謎團(tuán)。它們位于Wolbachia基因組的一部分，稱為真核生物關(guān)聯(lián)模塊，其中包含細(xì)菌似乎用于與宿主相互作用的基因。

除此之外，研究人員不知道它們來自何處。研究人員的下一步是尋找受感染雌性中抵抗CI 的基因，這些基因可以拯救它們并使它們正常孵化。

自然論文的共同作者包括：前博士生Jason Metcalf，Daniel LePage和Lisa Funkhouser-Jones，現(xiàn)任博士生Jessamyn Perlmutter和Dylan Shrophsire，高級(jí)研究員Sarah Bordenstein，研究助理Jungmin On，Vanderbilt本科生Emily Layton，以及約翰貝克曼，耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后。