一种广泛分布的称为沃尔巴克氏菌(Wolbachiapipientis)的细菌及其携带的病毒可以通过劫持雄性昆虫的精子而导致雄性昆虫不育，从而阻止它们与不具有相同细菌和病毒组合的雌性昆虫的卵子受精。宾夕法尼亚州立大学微生物组研究人员领导的一项新研究现已揭示了这种微生物组合如何操纵精子，在精子发育过程中改变长非编码RNA(lncRNA)和DNA，从而建立称为细胞质不相容性(CI)的父系效应胚胎致死性。研究小组表示，这些结果可能有助于科学家设计出精细的技术来控制向人类传播寨卡和登革热等疾病的农业害虫和昆虫的数量。

“沃尔巴克氏体是动物中分布最广的细菌，共生在大约50%昆虫物种的生殖组织中，包括一些蚊子和苍蝇，”该研究的共同领导者、生物学和昆虫学教授、该研究所主任SethBordenstein博士说。宾夕法尼亚州立大学的一个健康微生物组中心。“沃尔巴克氏体将一种名为原噬菌体WO的病毒基因整合到其基因组中。这些基因(cifA和cifB)使细菌能够显着地操纵精子，并为了自身利益而在昆虫种群中快速传播。”

该团队在《科学》杂志上发表了一篇题为“原噬菌体蛋白改变发育中精子的长非编码RNA和DNA以诱导父系效应致死”的论文，报告了他们的发现。研究小组在论文中指出，“这项研究确定了调节真核lncRNA和DNA的原噬菌体核酸内切酶，它们在动物繁殖中发挥着至关重要的作用。在睾丸中建立受精前的一系列早期修饰最终导致受精后父系效应胚胎致死。”

作者指出，一种含有原噬菌体的细菌共生体W.pipientis栖息在全世界大约一半节肢动物的生殖道中，并且“……自私地改变宿主繁殖，以增加将细菌传播给下一代的共生雌性的相对数量”写道。当同时携带沃尔巴克氏体的雄性和雌性昆虫交配时，它们会成功繁殖并传播细菌。但是，当携带沃尔巴克氏体的雄性与不携带这种细菌的雌性交配时，精子就会对受精卵产生致命作用，这就是所谓的CI。这个系统巧妙地增加了下一代携带沃尔巴克氏体和病毒的后代的比例，因为携带这种细菌的雌性比没有携带这种细菌的雌性成功繁殖的频率更高。研究小组进一步解释说：“具体来说，当共生雄性与非共生雌性交配时，CI会导致胚胎死亡。”“当传播雌性且它们的卵带有相同的沃尔巴克氏体菌株时，就会导致死亡无效，从而拯救CI。”

该系统正在世界各地正在进行的多项试点研究中使用，以控制害虫及其携带的有害病毒性疾病。例如，为了控制不携带沃尔巴克氏体细菌的农业或人类害虫种群，科学家释放携带这种微生物的雄性害虫。

宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究揭示了一种广泛传播的沃尔巴克氏菌及其携带的病毒如何通过劫持雄性昆虫的精子信使分子(在果蝇睾丸图像中用红色荧光标记)来导致雄性昆虫不育。这可以防止昆虫使不具有相同细菌和病毒组合的雌性卵受精。这些发现可以改进控制农业害虫和昆虫种群的技术，这些害虫和昆虫将寨卡病毒和登革热等疾病传播给人类。

宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究揭示了一种广泛传播的沃尔巴克氏菌及其携带的病毒如何通过劫持雄性昆虫的精子信使分子(在果蝇睾丸图像中用红色荧光标记)来导致雄性昆虫不育。这可以防止昆虫使不具有相同细菌和病毒组合的雌性卵受精。这些发现可以改进控制农业害虫和昆虫种群的技术，这些害虫和昆虫将寨卡病毒和登革热等疾病传播给人类。[鲁平德·考尔/宾夕法尼亚州立大学]

在黑腹果蝇的wMel菌株中，CI是由沃尔巴克氏体原噬菌体WO基因CifA和CifB的雄性种系表达引起的，这些基因编码干扰精子细胞正常发育的蛋白质。研究人员指出，CifA和CifB都是脱氧核糖核酸酶。这些蛋白质影响精子发育过程中的关键转变，此时精子的基因组被重新包装，精子从独木舟形状转变为更精致的针状形状。“我们最近确定，wMelCifA和CifB蛋白会侵入发育中的精子细胞核，并改变黑腹果蝇生育能力所必需的组蛋白和鱼精蛋白核蛋白的丰度，”研究小组表示。

研究共同负责人、生物学助理研究教授RupinderKaur博士表示：“这种形状变化对于精子的成功非常重要，任何干扰都会影响精子在女性生殖道中移动并成功使卵子受精的能力。”和宾夕法尼亚州立大学昆虫学。“从昆虫到人类，这种转变几乎在所有生物中都高度保守。这一过程的缺陷也会导致人类男性不育。”

研究人员表示，在这个转变过程中，精子特别容易受到DNA损伤和修复。通过研究，他们发现暴露于沃尔巴克氏体或单独的Cif蛋白的精子在此阶段的DNA损伤水平较高。DNA损伤如果不及时修复，可能会导致精子基因组包装异常、男性不育和胚胎无法存活。

“这些结果证实了沃尔巴克氏体和Cif蛋白在精子发育的这个阶段的影响，但我们仍然想知道早期阶段发生了什么触发了这些变化，”考尔说。“我们进行了一系列测试来探索Cif蛋白的结构和生化功能，发现它们可以裂解称为长非编码RNA的信使分子，从而为干扰精子的下游发育和功能奠定了基础。”

研究人员使用黑腹果蝇和沃尔巴克氏体模型来测试细菌和长非编码RNA之间的潜在联系。研究人员指出：“主要在果蝇睾丸中转录的lncRNA在精子发育和男性生育过程中的染色质组织中发挥着至关重要的作用。”他们发现沃尔巴克氏体——或者单独的Cif蛋白——减少了这些RNA的数量。此外，这些RNA表达降低的突变果蝇与沃尔巴克氏体一起，胚胎的存活率升高，因为它加剧了精子发育过程中缺陷性的转变。Kaur解释说，病毒蛋白通过消耗正常精子功能所需的长非编码RNA来控制精子。研究小组写道，精子发育中与Cif蛋白相关的错误“……与CI相关的受精后胚胎DNA损伤相关”。

Bordenstein说：“长非编码RNA本身不会产生任何蛋白质，但它们可以对调节精子发育所需的其他基因的功能产生深远的影响。”“通过改变基因组的非编码部分，我们发现Cif蛋白从发育的最早阶段就开始影响精子。沃尔巴克氏体的原噬菌体WO基因就像木偶大师一样，操纵精子发育，使其基因和共生细菌在节肢动物群体中快速传播。”

作者在论文中得出结论：“核内Cif改变了精子生物学的中心法则特征，包括非编码RNA耗尽和DNA损伤，揭示了三方噬菌体内共生体-动物相互作用的分子缠结库，这对动物配子发生和发育至关重要。胚胎发生。”

由于精子发育的过程在整个动物界看起来都很相似，研究人员表示，了解这一过程可以帮助我们深入了解人类的不育挑战，并为有害昆虫种群的新控制方法提供信息。“因此，原噬菌体蛋白在配子发生过程中与真核大分子相互作用，形成一种共生关系，这对于昆虫进化和媒介控制至关重要，”他们指出。

“沃尔巴克氏体的超能力之一是它可以阻止致病性RNA病毒，例如寨卡病毒、登革热和基孔肯雅病毒，因此携带沃尔巴克氏体的蚊子在叮咬时不会将这些病毒传播给人类，”博登斯坦说。“因此，在尚不存在沃尔巴克氏体的地区释放带有沃尔巴克氏体的雄性和雌性蚊子，会导致蚊子种群被无法再传播病毒性疾病的蚊子所取代。世界蚊子计划目前正在11个国家使用沃尔巴克氏体来控制病毒。通过这项研究，我们揭示了这一过程如何运作的基本机制，以便我们可以微调该技术以扩大其在病媒控制措施中的范围。”

“现在我们已经对这个过程进行了逆向工程，我们可以对已经使用的沃尔巴克氏体种群控制方法进行微调，”考尔说。“我们计划利用这些知识来增强当前现有的病媒和害虫控制方法，并可能长期模仿没有沃尔巴克氏体或病毒蛋白的技术。”

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