Доброго времени суток!
Перевод статьи «Индивидуальная и социальная защита у Apis mellifera: борьба с синергетическими стрессовыми воздействиями», 2023 г, «Границы физиологии» - Часть 3.
Основные способы действия, связанные с взаимодействиями со стрессорами.
Эффекты, возникающие в результате воздействия множественных стрессоров на здоровье пчёл, могут быть кумулятивными, но также синергетическими (вредные эффекты перевешивают кумулятивные эффекты или появление новых вредных эффектов) или антагонистическими (присутствие одного стрессора снижает вредное воздействие второго). Это зависит от стрессора, способа его действия, пути заражения, окружающей среды, а также систем здоровья и защиты пчёл.
Индивидуальный иммунный ответ у пчелы.
Существует сходство между врождёнными иммунными реакциями насекомых и позвоночных. Оно включает каскадные реакции, запускающие такие механизмы, как фагоцитоз, ферментативную деградацию и секрецию антимикробных пептидов.
Каждая пчела также обладает индивидуальным иммунитетом, включая клеточные и гуморальные реакции. У насекомых, особенно у пчёл, дрозофил и комаров, было идентифицировано несколько сигнальных путей.
Первый - это Toll – путь, который функционирует через трансмембранные сигнальные белки, называемые Toll – подобными рецепторами. Эти белки играют важную роль в иммунитете и развитии. Его транслокация (тип хромосомных мутаций) в ядро клетки позволяет активировать антимикробные пептиды, фенолоксидазу и лизосомы.
Второй путь - это путь иммунодефицита (IMD). Он играет более специфическую роль в борьбе с бактериями (особенно с грамположительными бактериями), но также может запускаться в присутствии определённых грибов. Он усиливает передачу основных антимикробных пептидов.
Эти защитные системы возникают в основном в кишечнике пчелы. Поэтому пчеле необходимо поддерживать баланс между патогенными и симменсальными (совместно существующими) бактериями в микробиоте своего кишечника.
Когда соединение бактериальной клеточной стенки (PGN) бактерии распознаётся особым белком распознавания пептидогликанов, возможны два исхода. В случае устойчивой ассоциации с небольшим количеством бактерий главный кишечный сенсор белка распознавания (PGRP-LE) усиливает выработку амидазы, которая может расщеплять бактериальную клеточную стенку и предотвращать их перемещение в гемолимфу. Это активирует путь иммунодефицита.
Этот процесс также выступает в роли отрицательного регулятора (NF-kB), который регулирует уровень передачи необходимых сигналов в соответствии с природой бактерий. Это обеспечивает защитную иммунную толерантность (терпимость) к микробиоте.
Напротив, при высокой нагрузке инфекционными бактериями ответ главного кишечного сенсора (PGRP-LE) переключается на выработку антимикробных пептидов (AMP) через путь иммунодефицита (через отрицательный фактор NF-kB) для устранения стрессора.
Также у пчёл наблюдается последующее снижение количества иммунных генов. Это снижение происходит на каждом этапе иммунных путей и может быть связано с наличием специфических социальных защит, которые делают эти дополнительные гены ненужными (2006, 2019).
Детоксикация у медоносной пчелы.
Известно, что пчёлы обладают ещё одной системой борьбы с ксенобиотиками. Некоторые чужеродные и неживые вещества, присутствующие в организме, способны взаимодействовать с клетками пчелы.
Они могут быть естественными (растительные токсины) или антропогенными (например, пестициды).
Целью детоксикации является преобразование липофильных веществ в гидрофильные, чтобы они могли легко выводиться из организма. Этот процесс состоит из трёх фаз.
- Первая называется функционализацией и направлена на прекращение липофильного взаимодействия посредством ферментативных изменений. Ферменты, используемые на этой фазе, принадлежат к суперсемейству цитохрома Р450 или являются карбоксилэстеразами.
Основной функцией цитохрома Р450 является активация кислорода, что необходимо для первой фазы биотрансформации гидрофобных соединений - реакции насыщения кислородом с образованием гидроксильной группы, образования гидрофильных метаболитов и их удаления.
Карбоксилэстераза - фермент, класса гидролаз, который нейтрализует токсины в печени и семенниках. Карбоксилэстеразы - ферменты, которые гидролизуют соединения, содержащие сложные эфиры карбоновых кислот, амидные и тиоэфирные функциональные группы.
Пчёлы используют их против флавоноидов в пище, а также против микотоксинов, пестицидов и акарицидов (2021).
- Вторая фаза – это конъюгация продукта первой фазы с глутатионом благодаря глутатион –S- трансферазе таким образом, что он становится солюбилизированным и транспортабельным.
Конъюгация (биохимия)— присоединение к молекуле вещества другой целой молекулы или функциональной группы.
Солюбилизаторы — это класс поверхностно-активных веществ, которые способствуют растворению труднорастворимых ингредиентов в жидкой основе раствора.
Глутатион — это трипептид, молекула, состоящая из трёх аминокислот: цистеина, глицина и глутамина. Некоторые из ключевых функций глутатиона: нейтрализация активных форм кислорода (свободных радикалов), восстановление других антиоксидантов, участие в реакции обезвреживания токсичных субстанций, участие в регуляции процессов клеточного деления и гибели и др.
То есть на второй фазе происходит присоединение получившихся молекул к глутатионам, которые помогают вывести их из клетки и организма. Что-то вроде такси для токсинов. – прим. автора блога, но автор может и ошибаться.
- На третьей фазе детоксикации конечный метаболит выводится из клетки до момента его выведения из организма.
Этот трёхфазный процесс происходит в средней кишке, где присутствуют ферменты детоксикации.
Домашние пчёлы страдают от генетического дефицита ферментов, которые действуют в течение трёх фаз, по сравнению с другими насекомыми. У пчёл задействовано меньше наборов ферментов. Тем не менее ,это не делает пчелу более чувствительной к пестицидам в сравнении с другими насекомыми. Но этот факт может частично объяснить чувствительность пчёл к синергистам (совместно усиливающим друг друга негативным факторам).
Способы действия, связанные с синергетическими воздействиями.
Способ, которым синергетические взаимодействия между негативными факторами могут быть настолько губительными для пчёл, очень сложен и до сих пор мало изучен.
Действительно, каждый контекст имеет свои объяснения в зависимости от механизмов, которые часто неизвестны. Тем не менее, исследования всё чаще затрагивают эту тему ,благодаря чему были выявлены некоторые способы действия, которые приводят к таким синергетическим эффектам.
Воздействие множественных стрессоров на защитные и метаболические системы медоносных пчёл показано на рисунке ниже:
Процесс детоксикации требует энергетических затрат для организма. Экспрессия генов и кодирование белков для детоксикации и выведения токсина из организма требует большого количества энергии и ресурсов.
По этой причине кривые токсичности часто выше при высоких дозах, но остаются высокими и при низких дозах, как наблюдали учёные в исследовании Эль Кури (2021). В этом исследовании пчёлы подвергались воздействию клотианидина (действующее вещество инсектицидов контактно-кишечного действия класса неоникотиноидов).
Это можно объяснить тем фактом, что ниже определённого порога содержания ксенобиотиков в организме процесс детоксикации не начинается, поскольку доза считается слишком низкой, чтобы оказать воздействие на организм. Тогда начало детоксикации может обойтись пчеле «дороже», чем ожидаемая польза.
И наоборот. Процесс детоксикации прекращается при высоких дозах для сохранения энергии, необходимой для поддержания жизненно – важных функций.
В случае с другими стрессорами, такими как паразиты или вирусы, организму, возможно, придётся «выбирать» между началом детоксикации или реакцией иммунной системы. Это усиливает пагубное действие неуправляемого стрессора.
Именно поэтому присутствие стрессоров так вредно с точки зрения расхода энергии (2013, 2017).
Чувствительность пчёл к синергии ксенобиотиков также может быть объяснена дефицитом гена детоксикации (2015).
Действительно, наличие множества изоформ (разные по строению типы одного фермента ,которые запускают одну и ту же реакцию) ферментов детоксикации может позволить организму справляться с большим разнообразием химических веществ.
Кроме того, некоторые изоформы могут обладать свойствами перекрёстной активности. Это повышает устойчивость к химическому веществу, которое способно взаимодействовать таким образом, что обезвреживает другие изоформы фермента. Так, многие механизмы синергетического действия пестицидов включают семейство ферментов детоксикации цитохрома Р450, который «используют» пчёлы для «обезвреживания» пестицидов в организме (смотрите выше).
Например, одновременное действие на пчёл фунгицидов – ингибиторов и акарицидов (или инсектицидов) может тормозить процесс детоксикации, который связан с цитохромом Р450.
Действительно, было показано, что прохлораз (фунгицид, тормозящий активность Р450) тормозит процесс детоксикации у медоносных пчёл, тем самым повышая токсическое действие другого одновременно воздействующего пиретроидного инсектицида.
Аналогичным образом, синергизм между акарицидами тау-флувалинатом и кумафосом и другими акарицидами или пестицидами может быть результатом конкуренции, вмешательства или насыщения активного центра цитохрома Р450 из-за избытка ксенобиотиков в организме.
Оба соединения липофильные и могут накапливаться в пчелином воске ,медленно накапливаясь с течением времени. В этом случае пчёлы могут постоянно подвергаться воздействию более высоких концентраций, которые насыщают их ферменты детоксикации. В этом случае обычный механизм действия пестицидов, таких как неоникотиноиды, оказывает прямое влияние на здоровье пчёл, поскольку они остаются «необработанными» в организме.
Цитохром Р450 играет важную роль не только в детоксикации, но и в синергизме между антибиотиками и пестицидами. Недавно было показано, что микробиота кишечника способствует преобразованию генов, кодирующих фермент Р450 в средней кишке (2020).
Пчеловоды действительно используют антибиотики для борьбы с бактериальными инфекциями (например, с американским гнильцом) в улье. Эти молекулы (вещества) предназначены для уничтожения бактерий. Но они не могут различать полезные и вредные бактерии. В результате они изменяют микробиоту кишечника и вызывают дисбактериоз.
Это нарушение может иметь неблагоприятные последствия для здоровья пчелы, такие как нарушение обмена веществ, снижение иммунитета, плохая выживаемость, а также сбой синтеза детоксифицирующего фермента Р450.
Перекрёстное воздействие антибиотиков и пестицидов приводит к более высокому уровню смертности, что может быть результатом вредных изменений в микробиоте кишечника. Эти изменения усугубляются действием антибиотиков, которые снижают преобразование ферментов детоксикации. В результате низкие титры этих ферментов позволяют пестициду действовать внутри пчелы, нанося непоправимый вред.
Кроме того, нарушенная микробиота кишечника не может выполнять полезные функции, поэтому пчела сталкивается со снижением иммунитета и замедлением обмена веществ. Затем в организм пчелы могут вторгнуться другие патогены, усиливая дисбактериоз и провоцируя заболевание.
Процесс детоксикации изменяет химический состав ксенобиотика, чтобы вывести его из организма, иногда создавая новые соединения, более токсичные, чем исходное вещество.
Например, так обстоит дело с имидаклопридом (инсектицид класса неоникотиноидов) ,который даёт 5-ОН-имидаклоприд или тиаметоксамом (инсектицид того же класса), который превращается в клотианидин. Эти метаболиты (полученные соединения) могут вступать в реакцию с исходной молекулой (веществом) или действовать синергично с ней, вызывая дальнейшие повреждения.
Некоторые метаболиты особенно реакционноспособны и могут расщеплять молекулы ДНК, создавая мутации, которые могут привести раку или порокам развития (если пчела всё ещё развивается).
Случай с бензпиреном наглядно отражает эту концепцию.
Бензпирен (или бензоапирен) — ароматическое соединение, представитель семейства полициклических углеводородов, обладает сильнейшей канцерогенной активностью, как и многие другие полиароматические углеводороды; чрезвычайно токсичен.
Пчёлы могут подвергаться его воздействию при вдыхании загрязнённого воздуха вблизи автомагистралей. Попадая в организм, это соединение может накапливаться в липидах или поглащаться ферментами детоксикации цитохрома Р450. В любом случае, первая фаза детоксикации приводит к образованию более токсичных метаболитов (процесс, называемый биоактивацией). Как родительские (исходные), так и дочерние (образовавшиеся) токсичные соединения могут повреждать ДНК, приводить к гибели клеток, ферментативным изменениям и раковым заболеваниям.
Другим примером таких вредных молекул является семейство активных форм кислорода (АФК). Трансформация некоторых ксенобиотиков может привести к выбросу АФК, но они также вырабатываются организмом в процессе его нормального функционирования (клеточное дыхание). Хотя АФК обладают антимикробными свойствами, они также могут вступать в реакцию с макромолекулами (например, ДНК и белками) и приводить к гибели клеток. Многие типы стрессоров усиливают выработку АФК как у пчёл, так и у других организмов.
Таким образом, перепроизводство АФК во время детоксикации может нанести большой вред и нарушить важные функции. Например, через окисление ключевых ферментов.
Такая ситуация, вероятно, возникает с большинством типов разрушителей и может объяснить некоторые опасные синергетические эффекты между пестицидами.
Действительно, чрезмерный иммунный ответ или детоксикация могут быть опасны для пчелы при определённых обстоятельствах. С одной стороны, это сопряжено с энергетическими затратами и может привести к нарушению метаболической регуляции, растрате ресурсов и воспалительным заболеваниям у насекомых (2014). С другой стороны, это связано с выработкой этих АФК. Это, вероятно, происходит при многократном действии.
Первая часть перевода:«Дикие против Домашних»: Экономический и экологический вес медоносных пчёл. Гибель пчёл.
Вторая часть перевода: Что убивает наших пчёл: Воздействие на пчёл негативных факторов.
Четвёртая часть перевода: Почему болеют пчёлы: как пчёлы реагируют на стрессоры и их взаимное действие (2).
Пятая часть перевода: Как пчёлы выживают в современном мире: социальный иммунитет, груминг, клещ Варроа и др.
От автора блога: Предлагаю перерыв на чашечку кофе. Продолжим в следующей части перевода.
Берегите своих пчёл!
Живите долго и будьте здоровы! Мира Вам!!!
P.S. Спасибо, что дочитали до конца! Мы будем рады видеть Вас в числе наших подписчиков! В нашем блоге вы найдёте много полезной информации!
P.S. Информация на нашем канале носит только ознакомительный характер.