Генетика вампиризма: как отучить комара кусаться

При слове «комар» мы сразу вспоминаем надоедливое кусачее насекомое. Его укусы еще можно было бы пережить, однако, что гораздо хуже, некоторые виды кровососов служат переносчиками тяжелых заболеваний. Избавимся ли мы когда-нибудь от столь опасного соседства? Теоретически это возможно, ведь существуют некусачие виды комаров, произошедшие от кровососущих предков. Такие виды в ходе эволюции возникали не единожды, и если это случалось в природе, то, выяснив, какие гены определяют отличия кусающихся комаров от безвредных, можно попробовать решить эту проблему.

К счастью, нужный ответ подсказала сама природа. Некусачие виды в ходе эволюции возникали не один раз, и знание того, какие гены определяют отличия кусающихся комаров от безвредных, поможет решить эту проблему.

Недавно исследователям удалось найти чудесный модельный объект для изучения генетики вампиризма. В болотах Северной Америки живут комары Wyeomyia smithii. Самки откладывают яйца в ловчие листья-кувшинчики насекомоядного растения саррацении пурпурной Sarracenia purpurea. В кувшинчиках всегда есть вода, в которой и развиваются личинки. Они питаются частично разложившимися насекомыми, попавшими в ловушку, а их выделения служат пищей для саррацении.

Обычно самки кровь не пьют, хотя кровососущий аппарат у них есть. Однако на юге ареала, во Флориде, комары иногда кусаются. Американский энтомолог Уильям Брэдшоу (William Bradshaw), изучающий W. smithii с 1970-х годов, лично наблюдал, как комар пьет кровь каролинской коробчатой черепахи Terrapene carolina [1]. Людям тоже достается, а при случае комары и крысой не побрезгуют, так что спектр хозяев у них широкий. Один раз самки могут отложить яйца, никого не кусая, но для последующих кладок им нужно напиться крови.

Вампирствуют не все комары Флориды, а примерно пятая часть популяции, при этом самки никаких заболеваний не переносят. Кусающие и некусающие особи W. smithii тесно соседствуют, могут жить даже в одном саду, так что генетические различия между ними должны быть связаны преимущественно с типом питания.

Уильям Брэдшоу и его коллеги отловили примерно 14 тыс. флоридских комаров и провели целенаправленный отбор на «кусачесть» [2]. Спустя три года и семь поколений частота кровососов в лабораторной популяции возросла вдвое — до 40%. Исследователи сформировали две группы насекомых: в одной все самки кусаются, в другой — ни одна. Это значит, что, подолгу находясь в одном помещении с крысой, ни один комар ее не укусил. Так же себя ведут W. smithii из штата Мэн (северной части ареала): в ходе эволюции они давно отказались от питья крови.

Ученые сравнили генную экспрессию у самок всех трех групп. Комарам-кровососам позволяли сесть на кожу и погрузить в нее хоботок, и, как только они это делали, насекомое забивали. Ученых интересовала экспрессия генов комара, который приготовился к трапезе, но к ней еще не приступил.

Оказалось, что экспрессия генов кусачих и некусачих комаров существенно различается, при этом профили экспрессии мирных самок Мэна и Флориды очень похожи. Различия в типе питания W. smithii на севере и юге их ареала — результат естественного отбора. Искусственный отбор, проведенный в лаборатории, привел к тем же результатам, то есть в обоих случаях молекулярная основа произошедших изменений была одинаковой.

Исследователи обнаружили, что у кусачих самок еще до того, как они напьются крови, активно работают гены, связанные с белковым питанием (расщеплением белков), клеточным делением и развитием яичников. Они уже заранее готовятся переработать белки крови, стимулирующие деление клеток и созревание репродуктивных органов. Такая подготовка требует значительных энергетических затрат.

Некусающие самки также готовы к использованию и запасанию энергии, но предварительная ориентация на определенный метаболический путь у них отсутствует. Их яичники изначально лучше развиты, чем у самок-вампиров, и они могут сделать несколько кладок, не подкрепляя себя кровью.

Кроме того, у вампиров W. smithii световосприятие слабее, чем у мирных особей, зато они лучше чувствуют запахи. Во взрослой жизни кусающим комарам помогает обоняние, а некусающим — зрение.

W. smithii — не единственный вид, отказавшийся от питья крови в ходе естественного отбора. Причины, побудившие комаров к отказу от животной трапезы, затерялись в глубинах эволюции, но некоторые предположения сделать можно.

Прежде всего, питание кровью — чрезвычайно энергоемкий процесс. Как показали эксперименты Брэдшоу и его коллег, значительное количество энергии уходит на то, чтобы подготовить внутренние процессы организма к будущей трапезе. А ведь надо еще найти жертву и не поплатиться жизнью за обед. Кроме того, кровь горяча, и комар, поглощая ее, испытывает тепловой шок. При распаде эритроцитов высвобождается токсичный гем и железо, которые надо выводить из организма. Так что вампиризм, если учесть все связанные с ним проблемы, не так уж и привлекателен.

Однако на юге исследуемого ареала часть W. smithii продолжает сосать кровь. По мнению Уильяма Брэдшоу, это происходит из-за различия внешних условий [3]. Развитие личинок комара зависит от количества как доступных для заселения листьев, так и пищи в них. Лист живет от шести месяцев до года, но как ловушка наиболее эффективен в возрасте 2–4 недель, а затем количество пойманной им добычи снижается. Поэтому самок W. smithii в первую очередь привлекают только что раскрывшиеся листья — именно в них они стремятся отложить яйца. В этом случае личинки вылупятся как раз в то время, когда ловушка будет работать с наибольшей активностью.

На юге теплый климат, плотность комаров высока, ловчие кувшинчики переполнены личинками, из которых окукливается обычно не более 12%. На севере ареала ловушки саррацении забиты личинками весной и осенью, однако летом их плотность существенно ниже, и этот период благоприятен для размножения.

Во Флориде такого периода нет, поэтому самкам лучше сделать несколько кладок: тогда им, возможно, повезет, и они первыми отложат яйца в раскрывающийся лист. На юге ареала самки W. smithii живут дольше, чем на севере, так что время для нескольких попыток у них есть, но, чтобы делать повторные кладки, нужна кровь.

Теперь, когда исследователям стали в общих чертах известны причины, позволяющие комарам отказаться от вампиризма, остается узнать, какие именно гены побуждают кровососов отправляться на поиск хозяина.

Современные технологии позволяют воздействовать на эти гены. Такая задача — дело будущего, однако направление исследований уже намечено. Возможно, именно W. smithii станут объектом, на котором биотехнологи опробуют новый метод борьбы с вампиризмом комаров.

О том, как борются с комарами-переносчиками желтой лихорадки, см. [4].

Наталья Резник

1. Bradshaw W. E. Blood-feeding and capacity for increase in the pitcher-plant mosquito, Wyeomyia smithii // Environ Entomol.,1980, 9, p. 86–89.

2. Bradshaw W. E., Burkhart J., Colbourne J., Borowczak R., Lopez J., Denlinger D., Reynolds J., Pfrender M., Holzapfel Ch. Evolutionary transition from blood feeding to obligate nonbiting in a mosquito // Proc Natl Acad Sci USA, 2018, 115, 1009–1014, doi: 10.1073/pnas.1717502115.

3. Bradshaw W. E. Variable iteroparity as a life-history tactic in the pitcher-plant mosquito Wyeomyia smithii// Evolution, 1986, 40(3), p. 471–478.

4. Резник Н. Комары против лихорадки.