Генетики ТГУ раскрыли загадку возрастом в 20 миллионов лет

Для многих стран такое заболевание, как малярия – тема давно забытая, вместе с тем по данным ВОЗ ежегодно это заболевание уносит более 500 000 жизней. Чаще всего от него погибают дети. Генетики Томского государственного университета изучают эволюцию малярийных комаров, чтобы прогнозировать будущее, в том числе возможность развития эпидемий. Ученый Политехнического университета Вирджинии и Биологического института ТГУ Игорь Шарахов рассказал в интервью Alma Mater о том, как в Сибири появились малярийные комары, за счет чего они научились выживать в суровых условиях и может ли малярия вернуться в Россию.

– Игорь Валентинович, масштабные исследования, которые проводят ученые ТГУ, помогли дать ответ на вопрос, откуда на территории современной России появились малярийные комары. Расскажите, пожалуйста, что удалось выяснить и зачем нужно исследовать эволюцию этих насекомых?

– Реконструкция эволюции малярийных комаров интересна не только с фундаментальной точки зрения, но имеет и очень важное практическое значение. Если мы выясним последовательность происхождения видов комаров, то поймем, как менялись геномы и как происходило приспособление к новым условиям. Вместе с тем мы сможем определять происхождение способности комаров переносить возбудителей опасных инфекций и адаптироваться к новым патогенам.

В рамках проведенных исследований мы изучили наборы генов 13 видов малярийных комаров, из них 11 палеарктических (евразийских) и два неарктических из Северной Америки. Был секвенирован набор генов самого северного вида малярийных комаров – Anopheles beklemishevi, открытого и описанного в Томске в 1976 году профессором ТГУ Владимиром Стегнием (совместно с Валентиной Кабановой) и названного в честь выдающегося русского биолога Владимира Беклемишева.

Мы выделили 1271 ген, они присутствуют в одной копии у всех 13 видов, произошли от общего предка и передавались вертикально в процессе эволюции. На основе этой информации было построено филогенетическое (эволюционное) древо. В его корнях, как мы и ожидали, оказались два североамериканских вида, которые являются предковыми для остальных 11 видов. Следующим за ними идет An. beklemishevi.

Вместе с тем филогенетический анализ помог установить, каким путем данный вид попал в Евразию. Ранее существовали две версии. Согласно первой – An. beklemishevi «пришел» через Гренландию, когда десятки миллионов лет назад она была связана с Америкой и Европой. Согласно второй – миллионы лет назад был другой путь, который связывал Америку с Азией, – Берингов мост или, как его еще называют, Берингов перешеек. В настоящее время это Берингов пролив, но несколько раз в истории планеты он превращался в участок суши, соединявший Чукотку с Аляской. По нему мигрировали теплокровные животные, а вместе с ними могли попасть и кровососущие насекомые.

Аnopheles beklemishevi является предковым видом для всех евразийских видов. Это подтвердилось в данной работе и при помощи анализа филогенетических древ, построенных на основе хромосомных перестроек. Возможно, именно An. beklemishevi или его предок мигрировал из Америки в Евразию. В результате более позднего видообразования возникли Аnopheles sacharovi (злостный переносчик малярии), Аnopheles martinius и другие южные виды. Потом в Европе появились сестринские виды – Аnopheles atroparus и Аnopheles labranchiae. Самыми молодыми оказались Anopheles maculipennis, Anopheles messeae и Anopheles daciae.

Два последних – очень широко распространенные в Евразии виды, с высоким уровнем хромосомного полиморфизма, благодаря которому они могут занимать огромные территории, с легкостью адаптируются к разным условиям.

– Можно сказать, как давно появились эти виды?

– Используя калибровки времени из других работ, удалось установить, что An. beklemishevi и остальные евразийские виды разделились примерно 20 миллионов лет назад. Именно в это время существовал Берингов мост. Гипотеза миграции через Гренландию и Европу, которые были связаны не позднее 50 миллионов лет назад, идет вразрез с результатами филогенетического анализа.

Мы полагаем, что массовые оледенения «отодвинули» малярийных комаров на другие территории, в частности, Европу, где комары смогли распространиться и закрепиться. Именно там, вероятно, произошло видообразование всех евразийских малярийных комаров и последующее расселение новых видов по территории Евразии.

Чтобы обосноваться в зонах с суровым климатом, например, на территории современной Сибири, малярийным комарам пришлось «включать» сложные адаптационные механизмы. Одним из них является полная диапауза, характерная для северных видов – это приобретенная способность впадать в зимнюю спячку. Перед зимой оплодотворенные самки в последний раз напиваются крови, но не расходуют ее на развитие яиц, а перерабатывают в жир. Все самцы при этом погибают. Весной после пробуждения самки летят, питаются кровью и откладывают яйца, впоследствии происходит появление особей обоего пола.

У комаров встречается и неполная диапауза, но она характерна для южных и европейских видов. Полная диапауза типична для двух ветвей, которые появились на разных этапах времени – An. beklemishevi отделился от других видов примерно 20 миллионов лет назад, а An. maculipennis, An. messeae и An. daciae выработали полную диапаузу независимо от An. beklemishevi. Возникли эти виды на временном отрезке от восьми миллионов до двух миллионов лет назад.

Дальнейшие исследования, проводимые в рамках проекта, поддержанного РНФ, помогут нам получить данные о связи между хромосомными перестройками и устойчивостью малярийных комаров к разным видам стресса. То, что подобная зависимость существует, доказано в исследованиях других ученых. Так, установлено, что в Африке у малярийных комаров, живущих в саванне, есть хромосомная перестройка 2La, которая обеспечивает устойчивость к засухе. У комаров, обитающих во влажном лесу, этой перестройки нет, хотя они принадлежат к тому же виду. У малярийных комаров, обитающих в Сибири, связь между хромосомными перестройками и способностями к адаптации на геномном уровне исследуется впервые.

НАЗАД ДОРОГА ЕСТЬ

– Игорь Валентинович, малярия – болезнь, которая для России считается давно побежденной. Так ли это? Или возможно ее возвращение?

– Действительно, массовые заболевания малярией в России и в СССР прекратились к середине 1950-х годов после масштабных мер по борьбе с болезнью и малярийными комарами. Они включали распространение антималярийных препаратов, осушение водоемов, применение инсектицидов (ДДТ) и пропаганду гигиенических мер.

Несмотря на то, что цикл передачи возбудителя малярии (паразитического протиста рода Plasmodium) между комарами рода Anopheles и человеком был прерван, виды малярийных комаров, способных переносить малярийного плазмодия, до сих пор обитают в России и ближнем зарубежье. Поэтому возвращение малярии возможно, если появится значительное количество заболевших людей, способных передать малярийного плазмодия самкам комаров во время кровососания.

Комары, в свою очередь, обеспечивают развитие и размножение плазмодия в течение двух-трех недель. Здоровый человек заражается в момент впрыскивания самкой малярийного комара размноженного плазмодия на стадии спорозоитов в кровь, которое происходит при следующем кровососании.

В тропических странах малярия является эндемической болезнью и там по-прежнему высок уровень заболеваемости и смертности. Существует возможность завоза малярийных паразитов и малярийных комаров в Россию через туристические поездки, миграцию, товарные поставки и другие каналы. Если человек, страдающий малярией, будет укушен малярийным комаром в России, есть риск, что этот комар заразит других людей.

В настоящее время в России встречаются завозные случаи малярии чаще всего из Африки, а также из Индии, Таиланда, Латинской Америки и стран Ближнего Востока – регистрируется 80-120 случаев малярии в год. Вероятность вспышки массового заболевания невысока, так как для заражения малярией необходимо наличие большого количества малярийных комаров и инфицированных людей в непосредственной близости. Однако поскольку малярия – это очень серьезное заболевание, необходимо следить за возможными случаями ее появления и проводить необходимые меры по контролю за комарами и разъяснению мер профилактики болезни.

– Сибиряки, привыкшие к комарам, не видят в них большой опасности. А какие серьезные болезни могут переносить комары?

– Малярийные комары рода Anopheles в Сибири распространяют дирофиляриоз – опасное для человека паразитарное заболевание, вызываемое нематодами рода Dirofilaria. Кроме малярийных комаров, в Сибири обитают комары родов Aedes и Culex. Представители рода Aedes переносят лихорадку Денге, которая считается главным вирусным заболеванием 21-го века из-за ее необычайно быстрого распространения по всему миру.

Вспышки эпидемий новых инфекций могут возникать внезапно. Ярким примером способности комаров создавать все новые угрозы для здоровья человека является стремительное распространение в 2015 году в Бразилии лихорадки Зика, переносимой инвазивным видом Aedes aegypti. Лихорадки Денге, Чикунгунья и Зика угрожают половине населения земного шара, в том числе населению, живущему в южных регионах Европы. Если тропические вирусные лихорадки вряд ли появятся в Сибири, то лихорадка Западного Нила, переносимая комарами Culex, в настоящее время рассматривается как новое природно-очаговое заболевание в России. Вирус быстро распространяется из европейской в азиатскую часть России, включая Сибирь.

«ТЕПЛОЛЮБИВАЯ» БОЛЕЗНЬ

– Игорь Валентинович, пишут, что малярия сильно зависит от климата. Означает ли это, что глобальное потепление будет способствовать расширению ареала комаров и повышать риск распространения опасных инфекций?

– Да, малярия действительно зависит от климата, и глобальное потепление может увеличить распространение малярии и других заболеваний, распространяемых комарами. Комары, которые передают малярию, в основном живут в тропических и субтропических регионах, где температура и влажность высоки. Глобальное потепление может изменить климатические условия в регионах с умеренным климатом и создать более благоприятные условия для комаров, что, в свою очередь, повышает вероятность распространения малярии и других инфекций.

Некоторые исследования показывают, что изменение климата уже влияет на распространение малярии. Например, увеличение температуры и влажности может увеличить скорость размножения комаров, ускорить их жизненный цикл и увеличить их количество, что может привести к увеличению числа случаев малярии. В то же время, сухие или холодные периоды, вызванные изменением климата, могут уменьшить скорость размножения, количество местообитаний комаров и снизить риск передачи малярии.

На юге, например, в той же Африке, за сезон может получиться 7-10 поколений комаров, у нас всего лишь одно-два поколения. В Сибири летний сезон короткий и температуры ниже, развитие от откладки яиц до взрослой особи и до следующего потомства идет медленнее.

Кроме того, глобальное потепление может также изменить области распространения малярии. В некоторых регионах, где малярия ранее не была эндемичной, изменение климата может создать условия для ее появления. В других регионах, где малярия уже распространена, изменение климата может привести к расширению ее ареала. Миграция населения в сочетании с глобальным потеплением климата создает условия для возникновения вспышек малярии и других заболеваний в регионах Евразии, включая Центральную Азию, Кавказ и некоторые регионы России.

Возможной причиной быстрой адаптации комаров к меняющимся условиям и быстрого распространения устойчивости к инсектицидам является особенная генетическая архитектура генома комаров. Высокий уровень изменчивости означает, что мутации, способствующие экологической адаптации или устойчивости к инсектицидам, могут быть уже сейчас представлены в геномах и ждут своего часа.

Необходимо изучать экологию, физиологию, генетику и поведение комаров, чтобы разрабатывать новые нетривиальные и в то же время безопасные для окружающей среды подходы для борьбы с распространением малярии. В целом, глобальное потепление может увеличить риск распространения малярии и других заболеваний, передаваемых комарами, поэтому меры по предотвращению распространения комаров являются важными для сохранения здоровья нации.

– Игорь Валентинович, как можно себя обезопасить при поездках в Бразилию, ОАЭ или Таиланд?

– Недавно стали появляться прививки, которые разрабатывались для конкретных видов малярии, например, для Plasmodium falciparum, он вызывает самую тяжелую форму болезни. Некоторые из этих прививок находятся на стадии клинических испытаний и пока еще недоступны для широкого использования.

Существуют прививки от некоторых вирусных заболеваний, переносимых комарами, например, желтой лихорадки. Однако не существует эффективной вакцины от лихорадки Денге или Чикунгунья. До сих пор приходится полагаться на традиционные меры профилактики малярии и других заболеваний, переносимых комарами.

Нужно пользоваться репеллентами, которые предотвращают укусы комаров, например, содержащими 20% диэтилтолуамид (DEET). Длинные рукава и брюки уменьшают вероятность укусов комаров. На окнах и дверях помещений должны быть установлены москитные сетки. Перед поездкой нужно начать принимать профилактические лекарства, которые помогают предотвратить заражение малярией, даже если укусил зараженный комар.

Не стоит спать на открытом воздухе без москитных сеток. Важно помнить, что меры профилактики малярии могут варьироваться в зависимости от места, куда вы едете, и от времени года. Самая высокая вероятность укуса комарами и заражения – в сезон дождей в тропических и субтропических странах. Многие виды малярийных комаров активны в вечернее или ночное время. Напротив, Aedes aegypti – переносчик лихорадки Денге, Чикунгунья и Зика – кусает в течение дня.

Для справки: В 2021 году малярией во всем мире заболело 247 миллионов человек. В том же году от малярии, по расчетам, умерло 619 000 человек. 95% всех случаев заболевания малярией и 96% случаев смерти от нее приходятся на Африканский регион. Примерно 80% всех случаев смерти от малярии в регионе пришлось на детей в возрасте до пяти лет. В России фиксируются только случаи завозной малярии. По данным Роспотребнадзора, в 2021 году в РФ малярия была диагностирована у 94 пациентов, 5 человек скончались.