Комар желтолихорадочный считается самым опасным и распространенным видом на планете: он обитает на шести континентах, может переносить смертельные вирусы и больно кусает. Однако недавно его геном был разобран до мельчайших кусочков.
В течение последнего десятилетия исследователи, пытавшиеся исследовать ДНК комара, могли работать лишь с отдельными фрагментами генетических образцов, которые невозможно было собрать вместе для формирования цельной цепочки. Однако недавнее многоинституциональное исследование, проведенное учеными Рокфеллеровского университета, позволило создать новый проект генома комара желтолихорадочного, который по всем параметрам превосходит предшественника. В статье, опубликованной в журнале Nature, описываются наиболее важные возможности применения этого нового материала, включая разработку новых стратегий по снижению распространения переносимых москитами заболеваний.
Создание лучшего генома
Как и некоторые другие виды москитов, комар желтолихорадочный переносит пагубные патогенны, включая вирус Зика, лихорадку денге и желтую лихорадку. Ежегодно он передает эти болезни сотням миллионов людей по всему миру. Многие исследователи считают, что лучший способ обуздать инфекцию – это изучить ее переносчиков. С этой целью в 2007 году ученые взялись за исследование последовательностей в большом и повторяющемся геноме комара. Хоть на эту работу и было потрачено более 10 лет, однако методы того времени были ограничены, поэтому полученный геном имел существенные недостатки.
«В геноме было так много частей, что мы точно не знали, как они сочетаются друг с другом, и был ли он полным. А если вы не уверены в том, что последовательность ДНК правильно собрана, то далеко с этими данными вам не уйти», – отметил Бен Мэттьюз, специалист из лаборатории Лесли Биргит Воссхолл.
Исследователи из Рокфеллера не были первыми, кто столкнулся с препятствиями в своих исследованиях из-за сомнительных данных по ДНК. Мэттьюз вспомнил, что ранее встречался с учеными, изучающими комаров, из других учреждений, чьи проекты стали чрезмерно трудоемкими или совершенно невозможными для реализации из-за отсутствия надежных генетических сведений. После вспышки Зика в 2016 году разочарованные ученые обратили пристальное внимание на эту проблему. И Лесли Воссхолл, именной профессор, решила, что пришло время принять серьезные меры.
«Мне было больно слышать о том, что сотрудники моей лаборатории не смогли найти полные версии генов, над которыми мы работали. Я опубликовала соответствующее сообщение в Twitter, а затем быстро собрала новую рабочую группу по геному желтолихорадочного комара», – отметила исследовательница.
Сотрудничая с университетами и отраслевыми партнерами со всеми мира, Воссхолл и ее коллеги получили доступ к последним достижениям в области геномики. Сначала команда отправила образец ДНК москита компании Pacific Biosciences, технологии которой позволили создать генетические последовательности, оказавшиеся намного длиннее тех, которые были представлены в исследовании 2007 года. Затем ученые из Bionano Genomics определили, как этим длинные последовательности связаны друг с другом. Наконец, эксперты из Университета Бэйлора использовали метод под названием Hi-C, чтобы выяснить, как эти последовательности расположены в целых хромосомах.
«Это было дорогостоящее мероприятие, и мы бы не смогли выполнить его без инструментов и опыта, пожертвованных нам партнерами из корпоративного сектора. Спустя 4143 отосланных писем и 1122 пройденных дней очень приятно увидеть, что наша статья наконец-то была опубликована», – сообщила Воссхолл.
Благодаря нашему сотрудничеству удалось получить полноценный ДНК желтолихорадочного комара – геном оказался настолько же надежным, как и вид, из которого он появился. Научная группа не стала терять время, тут же воспользовавшись новым инструментом в своей следующей работе.
Знай своего врага
Получив в свое распоряжение высококачественный геном, исследователи смогли опознать ранее не идентифицированные гены. Они, к примеру, обнаружили гены, кодирующие десятки новых ионотропных рецепторов (IRs), которые предназначены для определения запахов в окружающей среде и помогают направлять комаров к важным локациям, таким как место для откладки яиц или голая коленная чашечка. Вооружившись новыми знаниями, ученые теперь могут создавать новые реппеленты у насекомых, которые будут мешать им находить и кусать людей.
Анализируя геном, специалисты также заметили, что москиты имели несколько копий генов, в которых закодирован глатутион S-трансефераза (GST) – фермент, нейтрализующий токсические эффекты инсектицидов. «Это открытие показывает, что желтолихорадочный комар постоянно развивается, создавая у себя защиту от искусственных токсинов. У него появляются гены, которые разрушают химические вещества, предназначенные для их уничтожения. Данная находка может помочь исследователям в создании химических средств, способных уничтожить москитов, устойчивых к существующим инсектицидам».
Более дружелюбная к окружающей среде стратегия, с помощью которой можно эффективно бороться с переносчиками болезней, заключается в том, что она не убивает носителей, а позволяет сделать их менее опасными для людей. По словам ученых, в их новом исследовании описаны сразу несколько идей о том, как можно осуществить нужную генетическую настройку.
Первая из них связана с дискриминацией по половому признаку. Только самки желтолихорадочных комаров питаются кровью, поэтому сокращение их числа приведет к снижению передачи вируса. Анализируя новый геном, специалисты смогли определить гены, ответственные за определение пола москита. Это открытие можно использовать для создания популяций, состоящих из одних только самцов. «Нет самок, нет укусов, нет болезней», – заявляет Мэттьюз.
Тем не менее не все самки являются переносчиками вирусов. Исследователи выяснили, что некоторые желтолихорадочные комары не могут быть заражены лихорадкой денге, а потому не передают его людям. Изучив новый геном, команда смогла определить местоположение генов, отвечающих за восприимчивость к вирусу. В будущем эксперты смогут изменить ДНК москитов таким образом, что они перестанут распространять определенные заболевания.
«Для эффективного редактирования генома комара данных о последовательности его генов будет недостаточно. Вам также нужна информация о последовательностях, окружающих участки ДНК, чтобы знать, куда вставлять необходимые гены. Поэтому очень важно, чтобы новый геном был правильным и полным», – сообщает Мэттьюз.
Последовательность улучшений
Эти данные выделяют лишь небольшую часть возможностей применения генома. Лаборатория Воссхолл активно использует новый инструмент для проведения дополнительных экспериментов, и они не одиноки в этом деле. За год до официальной публикации своего исследования команда разместила геном в Интернете. И почти сразу же ученые со всего мира начали включать эти сведения в свои исследования.
«После того как геном стал общедоступным, люди начали углубленно копаться в нем. Десятки, если не сотни, лабораторий уже используют его в своих новых работах и этом число будет только расти, в особенности после публикации нашего материала», – добавил Мэтьюз.
Это исследование может помочь не только ученым, изучающим москитов, но и тем, кто пытается улучшить качество и доступность геномных ресурсов для различных видов.
«Помимо получения лучшего генома для желтолихорадочного комара, мы также составили дорожную карту для сбора других сложных геномов, без необходимости тратить на это усилия 72 соавторов и трех лет своей жизни. Это позволило сформировать стратегию для разработки генома любого животного», – заявил в конце Мэттьюз.