Геном комара открывает новые пути для снижения заболеваемости, переносимой насекомыми

Комары Aedes aegypti — мощный и многочисленный вид, населяющий шесть континентов, способный переносить смертельные вирусы и активно кусающий. Однако до недавнего времени его геном был представлен лишь фрагментами.

На протяжении последнего десятилетия исследователи, пытавшиеся изучить ДНК этого комара, имели дело лишь с несвязанными генетическими фрагментами. Недавнее мультиинституциональное исследование под руководством учёных из Рокфеллеровского университета создало новую, значительно улучшенную схему генома Aedes aegypti. Исследование, опубликованное в Nature, описывает важные применения этого нового ресурса, включая несколько стратегий для снижения числа заболеваний, переносимых комарами.

Создание лучшего генома

Ae. aegypti, как и несколько других видов комаров, переносит опасные патогены, включая вирусы Зика, денге и жёлтой лихорадки, заражая сотни миллионов людей ежегодно. Многие исследователи считают, что лучший способ сдержать инфекции — лучше понять переносчиков. С этой целью в 2007 году учёные предприняли попытку секвенировать большой и повторяющийся геном комара. Хотя результаты этой работы позволили провести более десяти лет генетических исследований, методы того времени были ограничены, и геном имел существенные недостатки.

Геном был в таком количестве фрагментов, что было непонятно, как они соединяются, и была ли сборка полной. Без уверенности в правильности сборки последовательности ДНК продвижение было затруднено. После вспышки вируса Зика в 2016 году разочарование учёных усилилось, и профессор Лесли Б. Восшолл решила действовать.

Была сформирована Рабочая группа по геному Aedes. Сотрудничая с университетами и промышленными партнёрами по всему миру, группа получила доступ к последним достижениям в геномике. Сначала образец ДНК Ae. aegypti был отправлен в компанию Pacific Biosciences, чья технология позволила получить гораздо более длинные последовательности, чем в исследовании 2007 года. Затем учёные из Bionano Genomics определили, как эти длинные последовательности соединяются. Наконец, исследователи из Университета Бэйлора использовали метод Hi-C, чтобы выяснить расположение последовательностей на целых хромосомах.

Коллаборация привела к созданию всеобъемлющего каталога ДНК Ae. aegypti — генома, столь же надежного, как и сам вид. Группа немедленно начала использовать новый инструмент.

Познание противника

Имея высококачественную схему генома, исследователи смогли охарактеризовать ранее не идентифицированные гены. Они обнаружили, например, гены, кодирующие десятки новых ионотропных рецепторов (IR), которые обнаруживают запахи в окружающей среде и помогают комарам находить важные места, такие как место для откладывания яиц или открытый участок кожи для укуса. Обладая новой генетической информацией об IR, исследователи теперь могут разрабатывать новые репелленты, которые мешают комарам находить и кусать людей.

Анализ генома также показал, что у некоторых комаров есть множественные копии генов, кодирующих глутатион-S-трансферазу (GST) — фермент, нейтрализующий токсическое действие инсектицидов. Это говорит о том, что Ae. aegypti эволюционируют, чтобы защитить себя от искусственных токсинов, увеличивая количество генов, разрушающих химические вещества, предназначенные для их уничтожения. Это открытие может помочь исследователям создавать химикаты, уничтожающие комаров, устойчивых к существующим инсектицидам.

Более экологичная стратегия борьбы с переносчиками болезней заключается не в их уничтожении, а в изменении их генов, чтобы сделать их менее опасными для людей. Новое исследование генома предлагает несколько идей для такой генетической модификации.

Первая связана с "половой дискриминацией". Только самки Ae. aegypti питаются кровью; следовательно, сокращение числа самок ведёт к снижению передачи вируса. Используя новый геном, исследователи смогли точно определить гены, ответственные за определение пола комара. Это открытие можно использовать для создания популяций, состоящих только из самцов. "Нет самок — нет укусов, нет болезней".

Однако не все самки комаров переносят вирусы. Например, известно, что некоторые Ae. aegypti не могут быть инфицированы вирусом денге и, следовательно, не могут передавать его людям. Используя новый геном, команда смогла определить местоположение генов, контролирующих восприимчивость к вирусу. Дальнейшие исследования могут позволить изменить ДНК Ae. aegypti так, чтобы вид стал неспособен распространять болезнь.

"Чтобы эффективно редактировать геном комара, нужно знать не только последовательность вовлечённых генов, но и последовательность окружающих областей ДНК, чтобы понимать, куда вставлять нужные гены. Вот почему так важно, чтобы этот новый геном был правильным и полным".

Последовательность улучшений

Эти открытия освещают лишь крошечную часть потенциальных применений генома. Лаборатория Восшолл активно использует этот инструмент для проведения новых экспериментов — и они не одиноки. За год до официальной публикации исследования группа выложила свой геном в открытый доступ. И почти сразу учёные по всему миру начали использовать эти данные в своих исследованиях.

"Как только геном стал общедоступным, люди начали с ним работать. Десятки, если не сотни лабораторий уже использовали его в своей работе, и это число будет только расти с публикацией нашей статьи".

Это исследование может помочь не только учёным, изучающим комаров, но и тем, кто пытается улучшить качество и доступность геномных ресурсов для различных видов.

"Помимо получения лучшего генома для Ae. aegypti, мы также создали дорожную карту для сборки других сложных геномов — без необходимости в 72 соавторах и трёх годах работы. Это определяет стратегию превращения любого организма в генетически податливый объект".