12 биологических новостей в картинках

Вообще, мы серьезные люди. Гранит науки хрустит на наших зубах. Мы освещаем такие суровые, такие сложные закоулки биологического знания, до которых не дотянулись фонари других научно-популярных сайтов. Но иногда нам так хочется подурачиться. И рассказать о науке веселым языком, показать ее под другим углом. Нарисовать забавных картинок, написать легкий и смешной текст. Поэтому мы и открыли новую рубрику — «12 биологических новостей в картинках».

Интеллектуальный партнер этих иллюстрированных рассказов — АО РВК.

Малярийный плазмодий — это обобщенное название нескольких видов простейших-эндопаразитов из рода Plasmodium. Как и подобает уважающему себя эндопаразиту, всю свою жизнь плазмодий проводит в теле организма-носителя — комара или человека. И, как у большинства паразитов, его жизненный цикл, в ходе которого паразит должен уверенно перепрыгивать из одного хозяина в другого, ловко уклоняясь при этом от ударов иммунной системы обоих, запутан без всякой меры. Ученым давно было известно, что для реализации своих мудреных жизненных циклов многие паразиты научились управлять хозяевами. И в некоторых случаях естественный отбор намного превзошел фантазию сценаристов голливудских триллеров.

О том, как кукловоды-паразиты дергают за нити своих хозяев-марионеток, рассказано в обзоре «Манипулирование. I. Паразитное манипулирование» [1].

Уже было показано, что малярийные комары по непонятным причинам предпочитают именно инфицированных людей, помогая паразиту распространяться. По-видимому, основную роль в успехе малярийных больных у комаров играет их запах [2], но вот механизм его появления так и не был раскрыт. До недавнего времени.

Группе шведских ученых, опубликовавших свою работу в Science [3], удалось выяснить, что ключевую роль в привлекательности больного малярией для комаров играет один из метаболитов малярийного плазмодия — вещество с зубодробительным названием (Е)-4-гидрокси-3-метил-бут-2-енил пирофосфат (сокр. — ГМБПФ). Он нужен плазмодию в качестве предшественника в цикле биосинтеза изопентенил пирофосфата и его производного — диметилаллил пирофосфата. Оба эти соединения — своеобразные блоки для синтеза изопреноидов.

Биохимия малярийного плазмодия довольно своеобразна. Оно и понятно: жизнь внутри другого организма на всем готовом часто приводит к выпадению целых биохимических путей из метаболома паразитов. Практически все эукариоты, включая людей и комаров, используют для синтеза изопреноидов мевалонатный путь, не задействующий ГМБПФ. А вот у большинства эубактерий и споровиков (к которым относится плазмодий) работает альтернативный путь, требующий наличия главного героя статьи — метаболита ГМБПФ.

Вообще, о важности этого вещества в развитии малярийной инфекции было известно довольно давно: еще в 2007 году было показано, что ГМБПФ активирует в иммунной системе человека Т-клетки Vγ2Vδ2-типа [4]. Эти клетки — один из важнейших компонентов антимикробной защиты, и не удивительно, что именно они активируются под действием вещества, специфичного для бактерий и эукариотических паразитов-споровиков. Одновременно, попадая в организм комара, ГМБПФ также активирует компоненты его иммунной системы и изменяет состав микрофлоры его кишечника [5].

Для того чтобы изучить влияние различных метаболитов плазмодия Plasmodium falciparum на комаров Anopheles gambiae, исследователям пришлось использовать хитроумные кормушки. Это устройство состоит из емкости с кровью, закрытой мягкой мембраной, имитирующей кожу человека и легко прокалываемой хоботком насекомого. К кормушкам вели Y-образные трубки, предоставляющие комару выбор среди нескольких источников пищи.

В экспериментах по кормлению из мембранных кормушек 95% голодных самок комаров (да-да, кровью питаются именно самки комаров, а самцы — убежденные вегетарианцы) предпочли суспензию эритроцитов с добавлением ГМБПФ обычным эритроцитам. При этом в контрольном эксперименте самки предпочитали суспензию эритроцитов раствору глюкозы и сыворотке крови с добавлением ГМБПФ. Следовательно, особую пикантность крови больных малярией придает не сам ГМБПФ, а продукты его метаболизма эритроцитами.

В следующей серии опытов самки охотнее выбирали зараженные эритроциты, а того количества ГМБПФ, которое удалось выделить из инфицированных эритроцитов, оказалось вполне достаточно, чтобы заметно увеличить интерес комарих к обычным эритроцитам. Ученым удалось установить, что комаров привлекают как продукты метаболизма ГМБПФ, выделяемые эритроцитами (набор монотерпенов и альдегидов), так и сам ГМБПФ. Заметную роль в привлечении комаров в условиях эксперимента также играет СО₂, выброс которого эритроцитами увеличивается под влиянием ГМБПФ.

Но все же самое интересное ждало ученых впереди. Оказалось, что ГМБПФ обладает комплексным действием на регуляцию поведения и физиологии комаров. Добавление ГМБПФ увеличивало объем потребляемой комарами крови, а также количество ооцист и спорозоидов (жизненных стадий плазмодия) в теле животного. Метаболит плазмодия, с одной стороны, делает комара более кусачим, с другой — увеличивает его подверженность малярийной инфекции, не влияя заметным образом на его жизнеспособность. Столь разностороннее действие этого вещества на организм насекомого заставило ученых проанализировать его влияние на экспрессию генов комара.

Для этого из тела комара выделяли РНК через 1, 3, 6 и 24 часа после кормления суспензией эритроцитов с добавлением метаболита. Оказалось, что включение ГМБПФ-эритроцитов в рацион комара увеличивает экспрессию кишечных ферментов насекомого и целой группы синаптически-специфичных генов: синаптобревина и синоптотагмина 1, NMDA-рецептора типа 2 и β-монооксигеназы. Также метаболит влияет на экспрессию ряда антибактериальных белков, например, лизоцима С1 и цекропина 1. Изменяется экспрессия генов комплемента, входящих в комплекс с геном белка TEP1. Все это может влиять на успешность проникновения и экспансии паразита в теле комара.

Получается, что ГМБПФ, с одной стороны, способствует выделению эритроцитами человека-носителя веществ-аттрактантов, привлекающих комаров, что вынуждает комара питаться более активно, выбирая больных малярией в качестве предпочтительной жертвы. С другой стороны, попадая в комара, ГМБПФ оказывает комплексное влияние на организм насекомого, подавляя его иммунитет и создавая максимально благоприятные условия для размножения паразитов в новом хозяине. Можно сказать, что эволюция вооружила малярийный плазмодий своеобразным гормоном внешнего действия, управляющим и модифицирующим организм комара-носителя в нужную паразиту сторону.

Итак, возбудитель малярии теперь тоже попал в компанию паразитов-манипуляторов. Возникает ожидаемый вопрос: что если манипуляции плазмодия вовсе не ограничиваются носителем-комаром, а распространяются и на инфицированных людей? Захватывающая и страшноватая перспектива.

Литература

1. Манипулирование. I. Паразитное манипулирование;
2. Elis PA Batista, Elizangela FM Costa, Alexandre A Silva. (2014). Anopheles darlingi (Diptera: Culicidae) displays increased attractiveness to infected individuals with Plasmodium vivax gametocytes. Parasites & Vectors. 7, 251;
3. S. Noushin Emami, Bo G. Lindberg, Susanna Hua, Sharon Hill, Raimondas Mozuraitis, Philipp Lehmann, et al.. (2017). A key malaria metabolite modulates vector blood seeking, feeding, and susceptibility to infection. Science. undefined, eaah4563;
4. Craig T. Morita, Chenggang Jin, Ghanashyam Sarikonda, Hong Wang. (2007). Nonpeptide antigens, presentation mechanisms, and immunological memory of human Vγ2Vδ2 T cells: discriminating friend from foe through the recognition of prenyl pyrophosphate antigens. Immunol Rev. 215, 59-76;
5. Bo G. Lindberg, Eleanor A. Merritt, Melanie Rayl, Chenxiao Liu, Ingela Parmryd, Berit Olofsson, et al.. (2013). Immunogenic and Antioxidant Effects of a Pathogen-Associated Prenyl Pyrophosphate in Anopheles gambiae. PLoS ONE. 8, e73868.