Wolbachia菌:專殺雄性、改變性別、吃性腺的細菌。

原文:http://arstechnica.com/Science/2011/10/Meet-Wolbachia-The-雄-殺-性-彎-性腺-chong-細菌/

沃爾巴克氏體蛋白(綠色)圍繞著發育中的果蠅胚胎染色體(藍色),

我們最后一次看到沃爾巴克氏體細菌時,稱之為“性腺咀嚼寄生蟲”,似乎有負面意義,但相關的性腺屬于傳播登革熱的蚊子,感染沃爾巴克氏體細菌有助于防止病毒的傳播。當時我們提到阻斷登革熱只是眾多不尋常人才中的一個,所以今天我們就抽出時間詳細介紹一下剩下的。

沃爾巴克氏體的許多菌株可以對它們的昆蟲宿主做一些驚人的事情:改變它們的性別,殺死它們的后代,甚至創造新的物種。此外,在這個過程中,它們可能只是為主人提供了足夠的好處,使一切都值得,

沃爾巴克氏體是一個細菌屬,可能包括各種物種——。在細菌層面,物種和菌株的區別非常模糊,而沃爾巴克氏體極其多樣。但有一點很清楚,那就是這種生物可以感染非常廣泛的宿主,包括各種節肢動物(昆蟲、蜘蛛、等足類動物)到遠處的線蟲。根據我們研究的昆蟲的估計,已知物種中至少有65%攜帶沃爾巴克氏體細菌,可以轉化為總昆蟲物種。總共有106種不同的物種可以作為這些細菌的宿主,

許多細菌在生物體表面找到了自己的家,甚至更多的細菌在它們的毛孔和內臟中。沃爾巴克氏體更具攻擊性。它實際上進入一個單獨的細胞,并在那里為自己找到一個家。在這個過程中,它可以與細胞的成分相互作用并操縱它們,例如,當細胞分裂時,它會產生一種叫做紡錘體的結構,這有助于確保每個新細胞獲得正確數量的染色體,沃爾巴克氏體可以鎖定紡錘體,確保新細胞也能獲得健康的細菌劑量,它還想出了一種用蛋白質馬達搭便車的方法,蛋白質馬達可以移動細胞中的物質,并利用它們幫助它們在生物體內移動。

這種細菌足夠堅韌,可以在宿主死亡后存活至少一周,這樣它就可以傳播到新的生物身上,一旦到了那里,才是真正的快樂。

操縱宿主

雖然沃爾巴克氏體可以在各種組織中生長,但它有一個在每種生物體中幾乎相同的部分:性腺,這是因為它找到了進入雌性產生的卵子的途徑,所以它可以被傳遞給新一代的受害者,但是,它不滿足于簡單地輸入盡可能多的雞蛋;相反,沃爾巴克氏體進化出了許多方法來確保盡可能多的感染卵繼續繁殖,

細胞質不親和。沃爾巴克氏體細菌不能通過精子傳播,所以感染的雄性似乎不能幫助它繁殖,但外觀是錯誤的,當受感染的男性精子與未受感染的卵子融合時,新胚胎的第一次細胞分裂就會失敗,——雄性的染色體永遠不會完全凝結,正常分裂。相反,當它們與被感染的卵子融合時,一切都可以正常工作,所以被感染的雌性應該會有更多的后代。似乎受感染男性的精子攜帶一種干擾細胞分裂的因子,而受感染的卵子產生另一種使其失活的因子。

看來這不僅僅是一個因素,不同的沃爾巴克氏體菌株可能完全挽救這種不相容性,部分挽救,或者完全挽救失敗。

孤雌生殖.在許多種類的昆蟲中,雄性只有一套染色體,而不是兩套,雄性由未受精卵發育而來,而受精卵獲得兩套染色體,最終產生雌性,沃爾巴克氏體細菌完全擺脫雄性,被感染的雌性會產生未受精卵,他們會做兩件事之一:復制自己的染色體不分裂,或者分裂正常細胞,然后融合兩個細胞核,不管怎樣。

這種情況在一些物種中已經持續了很長時間。當沃爾巴克氏體細菌被抗生素殺死后,就不能再繁殖了,

女性化并不是沃巴赫菌保證所有后代都是感染雌性的唯一途徑,在一些等足類動物中,細菌會進入產生雄性激素的器官并破壞它,以確保胚胎發育成雌性。在昆蟲中,沃爾巴克氏體似乎能夠更直接地操縱性別決定途徑。目前,這種細菌的作用尚不清楚。但如果在昆蟲發育過程中給予抗生素,雌性會正常發育,但最初發育成雌性的雄性最終會介于兩性之間。

殺死雄性。這是上述選項的一個變化。在某些昆蟲中,確定可見性別的過程與補償兩性的染色體數目一般不同(即XX和XY)有關,在這些情況下,發展出與染色體不匹配的性別可能是致命的,因為基因劑量不平衡,沃爾巴克氏體也是如此,殺死所有男性。

如果這還不夠嚇人,有些菌株會根據宿主采用不同的方法,

解釋神奇

現在我們已經對一些沃爾巴克氏體菌株的基因組進行了測序,但我們發現它們沒有什么特別的。基因組往往很小,從100萬到200萬個堿基對不等,但沒有某些特殊寄生蟲那么小,與大多數細菌相比,它們似乎也有不尋常的垃圾,約15%的基因組是轉錄物、病毒等重復元件。與其他細菌相比,它們也有大量的重復基因,這些都表明基因組處于一種有規律的變化狀態,新功能的進化有充足的原材料,

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然而,蛋白質也有一些不尋常的地方,許多是短肽,可以作為激素或信號分子操縱宿主,還有很多細胞表面的蛋白質,可能幫助細菌與宿主系統互動,最后,還有一些攜帶序列的蛋白質,可以幫助它們與其他蛋白質相互作用,這可能會幫助Wolbachia操縱宿主的細胞分裂機器等系統,

不過,這些都不能準確地解釋細菌是如何讓宿主做這么多非常特殊的事情的。我們仍然不知道Wolbachia菌大多數情況下在分子水平上做了什么,

但是,正如通常的情況一樣,果蠅果蠅可能會幫助我們理清這個問題。上周四的《科學》雜志包含了一篇論文,顯示了被感染實際上如何對宿主有利,正確的細菌菌株和正確的蒼蠅種類的結合,會使雌性蒼蠅產生的卵是其未感染的同類的四倍,詳細觀察被感染的雌蠅的生殖道,可以發現在同一動物中,感染的細胞比未感染的細胞分裂得更快,細胞死亡的水平也低得多,

兩種作用結合在一起,給雌性動物的生殖能力帶來了很大的提升。所以,狼瘡菌與其說是寄生蟲,不如說是互生蟲,

另一個例子來自我做論文的實驗室,果蠅中決定性別的關鍵基因叫Sex-lethal,也就是Sxl,實驗室有一個Sxl突變系,是雌性不育的,然后,有一天,這些蒼蠅突然開始產生后代,他們認為一定是自發的突變,他們將生育能力相對于突變體進行了映射,它映射到了Sxl本身,于是,他們對基因進行了測序,奇怪的是,他們沒有看到任何變化,這讓很多人疑惑了好幾年 直到有人提出Wolbachia菌的問題,果然,用抗生素治療蒼蠅,消除了它們的生育能力,

由于果蠅的基因研究得非常透徹,人們已經開始做實驗,研究哪些突變可以被細菌覆蓋,有了確定的基因,應該可以弄清楚細菌中的哪些基因與它們相互作用,并開始拼湊出沃爾巴哈菌用來進行操作的方法。


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