Wolbachia菌:专杀雄性、改变性别、吃性腺的细菌

Wolbachia菌的蛋白质(绿色)围绕着发育中的果蝇胚胎(蓝色)的染色体。

当我们最后一次见到Wolbachia菌时,它们被称为 “性腺咀嚼寄生虫”。这似乎有负面的含义,但有关的性腺是属于传播登革热的蚊子的性腺,而感染Wolbachia菌可以帮助阻止该病毒的传播。当时,我们提到,阻断登革热只是众多不同寻常的天赋之一。那么,今天,我们就抽出时间来给大家详细介绍一下其余的内容。

Wolbachia菌的众多菌株可以对它们的昆虫宿主做一些惊人的事情:改变它们的性别,杀死它们的后代,甚至可能创造出新的物种。而且,在这个过程中,它们可能只是为宿主提供足够的好处,使这一切都值得。

Wolbachia菌是一个细菌属,可能包括各种物种——在细菌水平上,物种和菌株之间的区别是非常模糊的,而Wolbachia菌属是异常多样化的。但有一点是明确的,那就是这种生物体可以感染范围非常大的宿主,包括各种节肢动物(昆虫、蜘蛛、等足类)到关系非常遥远的线虫。根据我们研究过的昆虫估计,至少有65%的已知物种携带Wolbachia菌。将其转化为昆虫总物种的估计,总共106种不同的物种可以作为这些细菌的宿主。

很多细菌在生物体表面找到了家,甚至更多的细菌在它们的孔道和内脏里面。Wolbachia菌的攻击性更强一些。它实际上是进入单个细胞,并在那里为自己找到一个家。在这个过程中,它能够与细胞的成分相互作用,并对其进行操纵。例如,当细胞分裂时,它创造了一种叫做纺锤体的结构,有助于确保每个新细胞获得正确数量的染色体。Wolbachia菌能够锁定纺锤体,并确保新细胞也能获得健康的细菌剂量。它还想出了一种方法来搭上蛋白质马达的便车,这些马达能在细胞内移动材料,并利用这些来帮助它在生物体内移动。

这种细菌足够坚韧,可以在宿主死亡后至少存活一周,让它传播到新的生物体。一旦它到达那里,那才是真正的乐趣所在。

操纵宿主

虽然Wolbachia菌可以在各种组织中生长,但它有一个几乎在每个生物体中都相同的部位:性腺。这是因为它发现它的方式进入雌性产生的卵子,所以它可以传递给新一代的受害者。然而,它并不满足于简单地进入尽可能多的卵子;相反,Wolbachia菌已经进化出许多方法来确保尽可能多的感染卵子继续繁殖。

细胞质不相容。Wolbachia菌不能通过精子传播,所以被感染的雄性似乎没有办法帮助它繁殖,但表象是错误的。当受感染的雄性精子与未受感染的卵子合并时,新胚胎的第一次细胞分裂就会失败——雄性的染色体永远不会完全凝结,也不会正常分裂。相反,当它们与受感染的卵子合并时,一切都能正常工作。因此,受感染的雌性应该有更多的后代。看来,被感染的雄性的精子携带了一种干扰细胞分裂的因子,而被感染的卵子则会产生另一种使其失活的因子。

这似乎也不只是一个因素,不同的Wolbachia菌株可能完全拯救这种不相容性,部分拯救,或者完全不能拯救。

Parthenogenesis。在许多种类的昆虫中,雄性只有一套染色体,而不是两套。雄虫由未受精的卵发育而成,而受精的卵则得到两套染色体,最后产生雌虫。Wolbachia菌则完全摆脱了雄性。被感染的雌性会产生未受精的卵子,它们会做两件事中的一件:复制它们的染色体而不进行分裂,或者进行正常的细胞分裂,然后再进行结果的两个细胞核的融合。无论哪种情况,动物都会赢得两套染色体,并作为正常的雌性动物继续发育,如果受到感染的话。

这种情况在某些物种中已经持续了很长时间,当用抗生素治疗,杀死Wolbachia菌时,它们就不能再繁殖了。

雌性化并不是Wolbachia菌确保所有后代都是受感染的雌性的唯一方法。在一些等足类动物中,细菌会前往产生雄性荷尔蒙的器官并破坏它,确保胚胎发育成雌性。在昆虫中,Wolbachia似乎能够更直接地操纵性别决定途径。目前还不清楚这种细菌的作用,但如果在昆虫发育的一部分给它们服用抗生素,雌性会正常发育,但一开始发育成雌性的雄性最终会在两种性别之间的某个地方尴尬地死去。

杀死雄性。这是上述选项上的一个变化。在一些昆虫中,确定可见性别的过程与补偿两种性别的染色体数目一般不同(即XX与XY)的事实有关。在这些情况下,发育成与染色体不匹配的性别可能是致命的,因为基因剂量是不平衡的。Wolbachia菌也是这样,把所有的雄性都杀死。

如果这本身还不够可怕的话,有些菌株会根据自己所处的宿主采取不同的方法。

解释神奇

我们现在已经对一些Wolbachia菌株的基因组进行了测序,却发现它们并没有什么特别之处。基因组往往很小,在100万到200万个碱基对的范围内,但并不像一些专用寄生虫那样小。与大多数细菌相比,它们似乎也有不寻常的垃圾,基因组中约有15%是转录子和病毒等重复元素。与其他细菌相比,它们的重复基因数量也很高。所有这些都会表明,基因组既处于规律性的变化状态,又有大量的原料用于新功能的进化。

然而,蛋白质也有一些不寻常的地方。许多是短肽,可以作为激素或信号分子操纵宿主。还有很多细胞表面的蛋白质,可能帮助细菌与宿主系统互动。最后,还有一些携带序列的蛋白质,可以帮助它们与其他蛋白质相互作用,这可能会帮助Wolbachia操纵宿主的细胞分裂机器等系统。

不过,这些都不能准确地解释细菌是如何让宿主做这么多非常特殊的事情的。我们仍然不知道Wolbachia菌大多数情况下在分子水平上做了什么。

但是,正如通常的情况一样,果蝇果蝇可能会帮助我们理清这个问题。上周四的《科学》杂志包含了一篇论文,显示了被感染实际上如何对宿主有利。正确的细菌菌株和正确的苍蝇种类的结合,会使雌性苍蝇产生的卵是其未感染的同类的四倍。详细观察被感染的雌蝇的生殖道,可以发现在同一动物中,感染的细胞比未感染的细胞分裂得更快。细胞死亡的水平也低得多。

两种作用结合在一起,给雌性动物的生殖能力带来了很大的提升。所以,狼疮菌与其说是寄生虫,不如说是互生虫。

另一个例子来自我做论文的实验室。果蝇中决定性别的关键基因叫Sex-lethal,也就是Sxl,实验室有一个Sxl突变系,是雌性不育的。然后,有一天,这些苍蝇突然开始产生后代。他们认为一定是自发的突变,他们将生育能力相对于突变体进行了映射。它映射到了Sxl本身。于是,他们对基因进行了测序。奇怪的是,他们没有看到任何变化。这让很多人疑惑了好几年 直到有人提出Wolbachia菌的问题。果然,用抗生素治疗苍蝇,消除了它们的生育能力。

由于果蝇的基因研究得非常透彻,人们已经开始做实验,研究哪些突变可以被细菌覆盖。有了确定的基因,应该可以弄清楚细菌中的哪些基因与它们相互作用,并开始拼凑出沃尔巴哈菌用来进行操作的方法。

原文:https://arstechnica.com/science/2011/10/meet-wolbachia-the-male-killing-gender-bending-gonad-chomping-bacteria/

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