发现诱导昆虫无性繁殖的细菌蛋白

从人类肠道中的微生物到珊瑚礁中的共生藻类，近几十年来的研究越来越多地揭示了微生物(或微生物物种)在塑造宿主生物体和更广泛的生态系统的生物学方面所发挥的关键作用。例如，已知一些内共生体(生活在宿主生物体细胞内的微生物)可以操纵宿主的生理机能，以促进其自身的世代延续。

最著名的例子之一来自昆虫世界，沃尔巴克氏体属的细菌内共生体可以诱导宿主无性繁殖，以确保它们传播给后代。虽然这种现象在30多年前首次被认识到，但其潜在机制至今仍难以捉摸。

在最近发表在《基因组生物学与进化》上的一项题为“识别沃尔巴克氏体中单性生殖诱导效应蛋白”的研究中，明尼苏达大学的研究人员发现了介导这种微生物诱导的繁殖形式的关键沃尔巴克氏体蛋白。

这项研究在理解沃尔巴克氏体细菌操纵宿主繁殖的分子机制方面向前迈出了重要一步，为揭示这些内共生体与其宿主生物之间复杂的相互作用奠定了基础。

沃尔巴克氏体属细菌是地球上最普遍的内共生体之一，感染了大约一半的昆虫物种。沃尔巴克氏体从昆虫母亲传播给它们的后代，因此雄性宿主代表了细菌的进化死胡同。正因为如此，一些沃尔巴克氏体谱系已经进化出在其昆虫宿主中诱导单性生殖的能力，这是一种无性繁殖的形式，可产生所有雌性后代。

这项新研究的作者劳拉·弗里克(LauraFricke)和阿米莉亚·林赛(AmeliaLindsey)重点研究了来自两种寄生蜂宿主物种(棒毛细蜂和赤眼蜂)的沃尔巴克氏体菌株。已知这些沃尔巴克氏体菌株通过两步过程诱导孤雌生殖：首先，内共生体干扰宿主染色体分离，诱导未受精卵中的二倍化或染色体加倍，产生二倍体雌性后代。

接下来，沃尔巴克氏体通过干扰宿主基因表达系统的元件(例如昆虫基因转化器)来诱导后代的雌性发育，昆虫基因转化器是指导个体向雄性或雌性表型发育的主要调节因子。

“我们假设诱导孤雌生殖的沃尔巴克氏体菌株编码负责二倍化和驱动雌性分化的效应蛋白，这是孤雌生殖诱导的关键步骤，”弗里克解释道。

为了识别这些效应蛋白，Fricke和Lindsey寻找了两种孤雌生殖诱导沃尔巴克氏体菌株共有的基因，但所有其他沃尔巴克氏体菌株都没有这些基因。这导致鉴定出两种候选效应蛋白，名为PifA和PifB(孤雌生殖诱导因子A和B)，它们可能负责触发宿主生物体中的孤雌生殖。

对PifA和PifB的进一步分析表明，它们表现出真核宿主相关细菌效应蛋白的许多特征。结构预测揭示了PifA与真核核孔蛋白和RNA剪接蛋白之间的相似性，而PifB显示出与真核富含亮氨酸重复受体的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的结构同源性。

有趣的是，PifA还包含一个类似Transformer的区域，暗示它可能被沃尔巴克氏体用来劫持昆虫性别决定途径的元件。其他测定表明，PifA和PifB都会影响真核细胞，并且PifA定位于非典型分裂的细胞核，这表明PifA在操纵宿主细胞分裂中发挥作用。

PifA和PifB作为候选效应蛋白的发现为研究沃尔巴克氏体介导的生殖操纵开辟了新途径。“一个有趣的问题是这两个基因从何而来，”林赛说。

“这是一个很难回答的问题。基因组中的周围元素表明这些基因可能是通过病毒转移到沃尔巴克氏体基因组中的，但我们不知道最初的来源。”虽然已发表的昆虫基因组中没有明确的PifA和PifB匹配，但作者指出，这可能只是反映了遗传数据库中的抽样偏差。

缺乏用于研究沃尔巴克氏体及其宿主的遗传工具仍然是进一步探索这些蛋白质的主要挑战。由于目前不可能采用标准的遗传方法(例如基因敲低或基因敲除)，因此作者将重点放在一系列替代方法上，以帮助阐明这些蛋白质的工作原理。

“从这里开始，我们正在采用基于蛋白质组学的方法来分离黄蜂系统中Pif蛋白的目标，”Fricke说。Lindsey继续说道：“我们希望了解自然感染过程中这些蛋白质在昆虫胚胎中的定位，目前我们正在努力确定Pif与哪些特定的昆虫蛋白质和RNA相互作用。”

由于他们正在研究的寄生蜂物种尺寸极小，即使是这些替代研究也可能难以进行。

“这些昆虫比一粒沙子还小，大多数人不使用显微镜就看不到它们。这使得我们的许多实验变得相当棘手，通常需要大量的优化和稳定的双手来进行实验，在较大的昆虫中这很常见，”林赛解释道。然而，克服这些障碍有望为内共生效应器与其宿主生物体的生理和进化之间复杂的相互作用提供新的线索。