Клещи являются основной причиной большинства трансмиссивных заболеваний в Северной Америке. Однако молекулярные инструменты для изучения и генетической модификации этих членистоногих отстают от других насекомых-переносчиков, таких как комары. Новое исследование, опубликованное в журнале iScience, является первым, в котором удалось изменить ДНК черноногих клещей, более известных как оленьи клещи, и успешно вывести из их яиц мутировавший личиночный выводок. Исследователи нацелились на гены, которые помогают в развитии ротового аппарата и панциря животного.
"Вдохновением было заполнить пробелы, которые мы имели в исследованиях клещей", - говорит автор исследования Моника Гулиа-Нусс, биолог-вектор из Университета Невады в Рино. "Мы хотели посмотреть, сможем ли мы [разработать] аналогичные инструменты, которые у нас есть для комаров, и понять биологию клещей на более глубоком, более молекулярном уровне".
CRISPR/Cas9 - это перспективный инструмент генетического редактирования, который может широко применяться к организмам для постоянного изменения наследственных признаков у их потомства. Однако набор технических проблем препятствует его использованию в клещах. Хотя "клещи довольно выносливы", - говорит автор исследования Эндрю Нусс, биолог членистоногих из Университета Невады в Рино, их яйца одновременно хрупкие и выносливые. Отложенные осенью, чтобы вылупиться следующей весной, скорлупки яиц покрыты толстым слоем воска, чтобы предотвратить их высыхание во время длительного периода покоя. Каждое яйцо также покрыто твердой скорлупой. Внутри яйца осмотическое давление ненормально высокое - выше, чем в яйцах других насекомых, - из-за чего мешочки склонны лопаться, как водяной шарик, когда их протыкают. В дополнение к этим проблемам, длительный жизненный цикл паразитов и относительно загадочная эмбриональная стадия делают их коварным объектом для CRISPR.
"Многие другие исследователи в прошлом [проводили] неудачные эксперименты, - говорит Нусс. В течение пяти лет, которые потребовались для завершения проекта, "мы просто пробовали все, что еще не было опробовано", - добавляет он.
Прежде чем генетически модифицировать потомство оленьего клеща, исследователи должны были найти альтернативные способы доставки реагентов CRISPR/Cas9 в яйца. Сначала они удалили у самок клещей орган, который отвечает за производство воскового наружного слоя, заставляющего будущих матерей откладывать беззащитные яйца. Затем команда попробовала две стратегии доставки биохимических веществ, изменяющих гены: введение их в яйцеклетки самок клещей и введение их в только что отложенные эмбрионы. В первом случае белковый коктейль Cas9, доставленный матерям клещей, изменял ДНК их личинок. Во втором случае исследователи обрабатывали отложенные яйца солью, чтобы уменьшить давление внутри и размягчить внешнюю оболочку. Это позволило им проткнуть лишенную воска оболочку, не разорвав ее. По оценкам Гулиа-Русс, в ходе экспериментов их команда ввела тысячи яиц клещей с помощью иглы в сто раз тоньше человеческого волоса.
В качестве доказательства концепции исследователи удалили два стандартных гена в следующем поколении клещей, которые контролируют развитие ротового аппарата животных и жесткой внешней кутикулы. Команда секвенировала гены у выживших личинок и обнаружила, что уровень успешности генетической трансформации был сопоставим с таковым у других насекомых в ранее проведенных исследованиях CRISPR. Все клещи пережили инъекции, и около 10 процентов инъецированных яиц в эксперименте вылупились и выросли в личинки.
Ваннес Дермаув, энтомолог из бельгийского Фландрского научно-исследовательского института сельского хозяйства, рыболовства и продовольствия, не принимавший участия в исследовании, называет его "прорывом". Возможность трансформировать гены клещей, говорит он, проложит путь для "изучения функции генов, которые участвуют или важны для передачи таких заболеваний, как Лайма".
Гулиа-Нусс и Нусс говорят, что они в восторге от возможностей, которые открывают их новые инструменты для исследования молекулярной биологии клещей. В будущем они хотят улучшить показатели успешности генетической трансформации у испытуемых, в то время как делают успехи в изучении того, какие гены делают клещей надоедливыми паразитами, и могут ли членистоногие быть отредактированы, чтобы быть менее заразными переносчиками болезней. Вооружившись этими новыми молекулярными инструментами, они надеются, что исследователи в этой области также смогут наконец разгадать генетические секреты клещей.
"Это то, что было действительно необходимо в этой области в течение длительного времени", - говорит Нусс. "О клещах так много неизвестно".
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей об интересных вещах!