Un batterio diffuso chiamato Wolbachia e un virus che trasporta possono causare sterilità negli insetti maschi dirottando il loro sperma, impedendo loro di fecondare le uova di femmine che non hanno la stessa combinazione di batteri e virus. Un nuovo studio condotto da ricercatori sul microbioma della Penn State ha scoperto come questa combinazione microbica manipola lo sperma, il che potrebbe portare a tecniche raffinate per controllare le popolazioni di parassiti agricoli e insetti che trasportano malattie come Zika e dengue all’uomo.
Lo studio è pubblicato nel numero dell’8 marzo della rivista Scienza.
“Wolbachia è il batterio più diffuso negli animali e vive in simbiosi nei tessuti riproduttivi di circa il 50% delle specie di insetti, comprese alcune zanzare e mosche”, ha affermato Seth Bordenstein, professore di biologia ed entomologia, direttore del One Health Microbiome Center della Penn. State e uno dei leader del gruppo di ricerca. “Wolbachia ha i geni di un virus chiamato profago WO integrati nel suo genoma. Questi geni – cifA e cifB – consentono ai batteri di manipolare notevolmente lo sperma e di diffondersi rapidamente attraverso una popolazione di insetti per il loro bene.”
Quando un insetto maschio e una femmina che hanno entrambi Wolbachia si accoppiano, si riproducono con successo e trasmettono i batteri. Ma quando un maschio affetto da Wolbachia si accoppia con una femmina priva di Wolbachia, gli spermatozoi diventano letali per le uova fecondate, facendole morire. Questo sistema aumenta astutamente la percentuale di discendenti con Wolbachia e il virus nella generazione successiva, perché le femmine con il batterio si riproducono con successo più frequentemente delle femmine senza.
Questo sistema viene utilizzato in numerosi studi pilota in corso in tutto il mondo per controllare gli insetti nocivi e le dannose malattie virali che trasportano. Ad esempio, per controllare una popolazione di parassiti agricoli o umani che non contengono i batteri, gli scienziati rilasciano maschi affetti da Wolbachia per distruggere la popolazione.
“Uno dei superpoteri di Wolbachia è che blocca i virus RNA patogeni come Zika, dengue e chikungunya, quindi le zanzare con Wolbachia non trasmettono questi virus alle persone quando mordono”, ha detto Bordenstein. “Quindi, il rilascio di zanzare sia maschi che femmine con Wolbachia in un’area dove non è già presente porta alla sostituzione della popolazione con zanzare che non possono più trasmettere una malattia virale. Il World Mosquito Program sta ora utilizzando Wolbachia per controllare virus in 11 paesi. Con questo studio, riveliamo i meccanismi alla base di come funziona questo processo in modo da poter mettere a punto la tecnica per espandere la sua portata nelle misure di controllo dei vettori.”
I geni WO del profago di Wolbachia codificano per proteine che interferiscono con il normale sviluppo degli spermatozoi. Queste proteine influiscono su una trasformazione critica durante lo sviluppo dello sperma, quando il genoma dello sperma viene riconfezionato e lo sperma cambia da una forma a canoa in una forma più raffinata ad ago.
“Questo cambiamento di forma è incredibilmente importante per il successo degli spermatozoi e qualsiasi interferenza può influire sulla capacità degli spermatozoi di viaggiare nel tratto riproduttivo femminile e fecondare con successo l’ovulo”, ha affermato Rupinder Kaur, assistente professore di ricerca di biologia ed entomologia alla Penn State e l’altro leader del gruppo di ricerca. “La transizione è altamente conservata in quasi tutto, dagli insetti agli esseri umani. I difetti in questo processo possono anche causare sterilità maschile negli esseri umani.”
Secondo i ricercatori, durante questa transizione lo sperma è particolarmente soggetto a danni e riparazioni al DNA. In questo studio, hanno scoperto che lo sperma esposto al Wolbachia, o alle sole proteine Cif, presentava un livello elevato di danno al DNA in questa fase. Il danno al DNA, se non riparato in modo tempestivo, può provocare un impaccamento anomalo del genoma spermatico, infertilità maschile e invabilità embrionale.
“Questi risultati hanno confermato l’impatto delle proteine Wolbachia e Cif in questa fase dello sviluppo degli spermatozoi, ma volevamo comunque sapere cosa stava accadendo nelle fasi precedenti per innescare questi cambiamenti”, ha detto Kaur. “Abbiamo condotto una serie di test per esplorare la struttura e la funzione biochimica delle proteine Cif e abbiamo scoperto che possono scindere molecole messaggere chiamate RNA lungo non codificante, che pone le basi per interferire con lo sviluppo a valle e la funzione dello sperma.”
I ricercatori hanno utilizzato i moscerini della frutta con Wolbachia per testare il potenziale legame tra i batteri e il lungo RNA non codificante. Hanno scoperto che Wolbachia – o le sole proteine Cif – riducevano la quantità di questi RNA. Inoltre, le mosche mutanti con ridotta espressione di questi RNA insieme a Wolbachia avevano livelli elevati di inviabilità embrionale perché aumentavano il processo di transizione difettoso dello sviluppo degli spermatozoi. Quindi, ha spiegato Kaur, le proteine del virus controllano lo sperma impoverendo i lunghi RNA non codificanti necessari per la normale funzione dello sperma.
“I lunghi RNA non codificanti non producono proteine, ma possono avere un profondo impatto sulla regolazione della funzione di altri geni necessari per lo sviluppo degli spermatozoi”, ha detto Bordenstein. “Alterando questa parte non codificante del genoma, abbiamo scoperto che le proteine Cif iniziano ad avere un impatto sugli spermatozoi fin dai primi stadi di sviluppo. I geni profagi WO di Wolbachia agiscono come maestri burattinai, manipolando lo sviluppo degli spermatozoi in un modo che consente ai loro geni e al simbiotico batteri di diffondersi rapidamente attraverso le popolazioni di artropodi.”
Poiché il processo di sviluppo dello sperma è simile in tutto il regno animale, i ricercatori hanno affermato che la conoscenza di questo processo potrebbe fornire informazioni sulle sfide della sterilità negli esseri umani e fornire informazioni su nuovi metodi di controllo delle popolazioni di insetti dannosi.
“Ora che abbiamo decodificato questo processo, possiamo mettere a punto i metodi di controllo della popolazione con Wolbachia che sono già in uso”, ha detto Kaur. “Abbiamo in programma di sfruttare questa conoscenza per aumentare i vettori di malattie e i metodi di controllo dei parassiti attualmente esistenti, e forse emulare la tecnica senza Wolbachia o proteine virali a lungo termine”.
Oltre a Bordenstein e Kaur, il gruppo di ricerca comprende Angelina McGarry, ricercatrice tecnologica II presso Penn State; J. Dylan Shropshire, assistente professore alla Lehigh University; e Brittany Leigh, ricercatrice post-dottorato presso la Vanderbilt University al momento della ricerca.
Questa ricerca è stata supportata dai finanziamenti del National Institutes of Health, della National Science Foundation e della Penn State.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
