Mosca contro vespa: rubare una mossa di difesa aiuta a contrastare un predatore

Ma a volte, come nel mondo aziendale, il furto totale può essere un modo più rapido per raggiungere il dominio.

I biologi dell’Università della California, a Berkeley, hanno dimostrato che diverse specie di moscerini della frutta hanno rubato una difesa efficace ai batteri per sopravvivere alla predazione delle vespe parassite, che in alcune mosche possono trasformare la metà di tutte le larve di mosca in uteri surrogati per cuccioli di vespa: un destino raccapricciante. che ha ispirato la creatura nel film “Alien” del 1979.

I batteri e altri microbi sono famosi per rubare geni ad altri microbi o virus; questo cosiddetto trasferimento genico orizzontale è la fonte della fastidiosa resistenza agli antibiotici tra i microbi patogeni. Ma si ritiene che sia meno comune negli organismi multicellulari, come gli insetti e gli esseri umani. Comprendere quanto sia comune negli animali e come questi geni siano cooptati e condivisi può aiutare gli scienziati a comprendere l’evoluzione delle difese immunitarie degli animali e potrebbe indicare la strada a terapie umane per combattere le malattie parassitarie o infettive o il cancro, esso stesso una sorta di parassita.

“È un modello per comprendere come si evolvono i sistemi immunitari, compreso il nostro sistema immunitario, che contiene anche geni trasferiti orizzontalmente”, ha affermato Noah Whiteman, professore di biologia molecolare e cellulare e di biologia integrativa alla UC Berkeley e direttore dell’Essig Museum of Entomology del campus.

L’anno scorso, i ricercatori e i loro colleghi in Ungheria hanno utilizzato l’editing genomico CRISPR per eliminare il gene responsabile della difesa in una specie di mosca molto diffusa, Drosophila ananassaee ha scoperto che quasi tutte le mosche geneticamente modificate morivano a causa della predazione da parte di vespe parassite.

In un nuovo studio pubblicato il 20 dicembre sulla rivista Biologia attualei biologi hanno dimostrato che questa difesa – un gene che codifica per una tossina – può essere modificata nel genoma della comune mosca della frutta da laboratorio, Drosophila melanogasterper renderli resistenti anche alle vespe parassitoidi. Il gene diventa essenzialmente parte del sistema immunitario della mosca, un’arma nel suo armamentario per respingere i parassiti.

I risultati dimostrano quanto sia cruciale la difesa rubata per la sopravvivenza del volo e evidenziano una strategia che potrebbe essere più comune negli animali sospettati dagli scienziati.

“Ciò dimostra che il trasferimento genico orizzontale è un modo sottovalutato con cui avviene la rapida evoluzione negli animali”, ha affermato Rebecca Tarnopol, dottoranda dell’UC Berkeley, prima autrice dello studio. Biologia attuale carta. “Le persone apprezzano il trasferimento genico orizzontale come uno dei principali fattori di rapido adattamento nei microbi, ma si pensava che questi eventi fossero estremamente rari negli animali. Ma almeno negli insetti, sembra che siano abbastanza frequenti.”

Secondo Whiteman, autore senior dell’articolo, “Lo studio dimostra che, per tenere il passo con la raffica di parassiti che evolvono continuamente nuovi modi per superare le difese dell’ospite, una buona strategia per gli animali è prendere in prestito i geni da organismi in rapida evoluzione.” virus e batteri, ed è proprio quello che hanno fatto queste mosche.”

Flusso genico dal virus ai batteri per volare

Whiteman studia come gli insetti si evolvono per resistere alle tossine che le piante producono per evitare di essere mangiate. Nel 2023, ha pubblicato un libro, “Most Delicious Poison”, sulle tossine vegetali di cui gli esseri umani hanno imparato a godere, come la caffeina e la nicotina.

Un’interazione pianta-erbivoro su cui si concentra è quella tra la comune mosca della frutta Scaptomyza flava e piante di senape dal sapore aspro, come i crescioni che crescono nei ruscelli di tutto il mondo.

“Le larve, gli stadi immaturi della mosca, vivono nelle foglie della pianta. Sono minatori fogliari, lasciano piccole tracce nelle foglie”, ha detto Whiteman. “Sono veri parassiti della pianta e la pianta sta cercando di ucciderli con i suoi prodotti chimici specializzati. Studiamo quella corsa agli armamenti.”

Ciò che ha imparato, tuttavia, probabilmente si applica a molti altri insetti, tra gli erbivori di maggior successo sulla Terra.

“Queste sono piccole mosche oscure, ma se si pensa al fatto che la metà di tutte le specie di insetti viventi sono erbivori, si tratta di una storia di vita molto popolare. Comprenderne l’evoluzione è davvero importante per comprendere l’evoluzione in generale in termini di successo degli erbivori. sono”, ha detto.

Diversi anni fa, dopo aver sequenziato il genoma della mosca alla ricerca di geni che le permettessero di resistere alle tossine della senape, scoprì un gene insolito che scoprì essere diffuso nei batteri. Una ricerca attraverso sequenze genomiche pubblicate in precedenza ha rivelato lo stesso gene in una mosca imparentata, Drosophila ananassaecosì come in un batterio che vive all’interno di un afide. I ricercatori che studiano l’afide hanno scoperto una storia complicata: il gene proviene in realtà da un virus batterico, o batteriofago, che infetta i batteri che vivono all’interno dell’afide. Il gene del batteriofago, espresso dai batteri, rende l’afide resistente alla vespa parassita che lo affligge.

Queste vespe depongono le uova all’interno delle larve, o vermi, e rimangono lì finché le larve non si trasformano in pupe immobili, a quel punto le uova di vespa maturano in larve di vespa che consumano la pupa di mosca, emergendo infine come adulti.

Quando Tarnopol utilizzò per la prima volta l’editing genetico per esprimere il gene della tossina in tutte le cellule del D. melanogaster, tutte le mosche morirono. Ma quando Tarnopol espresse il gene solo in alcune cellule immunitarie, la mosca divenne resistente ai parassiti quanto sua cugina. D. ananassae.

Whiteman, Tarnopol e i loro colleghi hanno successivamente scoperto che il gene si trova nel genoma di D. ananassae — una fusione tra due geni della tossina, tossina dilatatrice citoletale B (cdtB) E proteina che induce l’apoptosi di 56kDa (aip56), che i ricercatori hanno chiamato fusione B – Codifica un enzima che taglia il DNA.

Per scoprire come questa nucleasi sia in grado di uccidere un uovo di vespa, i ricercatori dell’UC Berkeley hanno contattato István Andó dell’Istituto di genetica del Centro di ricerca biologica HUN-REN a Szeged, in Ungheria, che aveva precedentemente dimostrato che queste stesse mosche hanno un difesa cellulare contro le uova di vespa che essenzialmente separa le uova dal corpo della mosca e le uccide. Andó e i suoi colleghi di laboratorio hanno creato anticorpi contro la tossina che hanno permesso loro di seguirla attraverso il corpo della mosca e hanno scoperto che la nucleasi essenzialmente inonda il corpo della mosca per circondare e uccidere l’uovo.

“Abbiamo scoperto questo enorme mondo non sfruttato di fattori immunitari umorali che potrebbero essere in gioco nel sistema immunitario degli invertebrati”, ha detto Tarnopol. “Il nostro articolo è uno dei primi a dimostrare, almeno nella Drosophila, che questo tipo di risposta immunitaria potrebbe essere un meccanismo comune attraverso il quale vengono affrontati nemici naturali come vespe e nematodi. Sono di natura molto più letale di alcuni le infezioni microbiche con cui lavora la maggior parte delle persone.”

Whiteman e i suoi colleghi stanno ancora esplorando la complessità di queste interazioni tra mosca e vespa, e i cambiamenti cellulari e genetici che hanno permesso alle mosche di sintetizzare una tossina senza uccidersi.

“Se il gene è espresso nel tessuto sbagliato, la mosca morirà. Quel gene non riuscirà mai a diffondersi tra le popolazioni attraverso la selezione naturale”, ha detto Whiteman. “Ma se si ferma in un punto del genoma che è vicino a qualche potenziatore o qualche componente regolatore che lo esprime un po’ nel tessuto grasso corporeo, allora puoi vedere come può alzarsi molto velocemente, ottieni questo incredibile vantaggio. “

Il trasferimento genico orizzontale in qualsiasi organismo porrebbe problemi simili, ha detto, ma nella corsa agli armamenti tra predatore e preda, potrebbe valerne la pena.

“Quando sei un povero piccolo moscerino della frutta, come gestisci questi agenti patogeni e parassiti che si stanno rapidamente evolvendo per approfittarsi di te?” ha detto. “Un modo è prendere in prestito geni da batteri e virus perché si stanno evolvendo rapidamente. È una strategia ingegnosa: invece di aspettare che i tuoi geni ti aiutino, prendili da altri organismi che si stanno evolvendo più rapidamente di loro. E ciò sembra essere accaduto molte volte indipendentemente negli insetti, dato che così tanti diversi hanno assorbito questo gene. Ciò ci dà l’immagine di un nuovo tipo di dinamismo che si sta verificando anche negli animali che hanno solo un sistema immunitario innato e non lo hanno. hanno l’immunità adattativa.”

Il lavoro di Whiteman è stato finanziato dall’Istituto Nazionale di Scienze Mediche Generali del National Institutes of Health (R35GM119816). Altri coautori dell’articolo sono Josephine Tamsil, Ji Heon Ha, Kirsten Verster e Susan Bernstein dell’UC Berkeley, Gyöngyi Cinege, Edit Ábrahám, Lilla B. Magyar e Zoltán Lipinszki dell’Ungheria e Bernard Kim dell’Università di Stanford.