Wolbachia - מאֶנדוסימביוזה הדדית להתהוות מינים חדשים

השנה אנו חוגגים 200 שנה להולדתו של צ'רלס דארווין ו-150 שנה לצאת ספרו המפורסם, מוצא המינים. בהזדמנות זו אציג במדור את אחד הגורמים להופעת מינים חדשים, בעיקר של חרקים, אך גם של חסרי-חוליות אחרים.

סימביוזה - חיי שיתוף של שני יצורים שונים (או יותר) - היא תופעה נפוצה מאוד בעולם החי. כאשר אחד מהסימביונטים חי בתוך גופו של הסימביונט האחר, אנו מגדירים זאת כאֶנדוסימביוזה. סימביוזה יכולה להיות הדדית, שבה כל אחד מהשותפים נהנה ממנה; קומנסלית, כלומר נייטרלית לגבי אחד מהשותפים; או טפילית, שבה אחד השותפים נהנה והשני ניזוק. מאחר וקיימות צורות ביניים שונות, לעתים אי אפשר להגדיר בדיוק את מהות הסימביוזה.

חיידקים רבים הם אנדוסימביונטים של יצורים רבים ושונים והרחבנו על-כך במדורים הקודמים, שם הדגשנו את חשיבותם ותרומתם למאכסניהם ("אם אין אני לי, חיידקים לי", "גליליאו" 116; "ממה ניזונים אוכלי הצמחים" "גליליאו" 117). הפעם נכיר חיידקים שהם אנדוסימביונטים תוך תאיים הגורמים למאכסניהם תופעות לוואי מיוחדות.

בשנת 1924 גילה סמואל ברט וולבך (Wolbach), עם מרשל הרטיג (Hertig), חיידקים קטנים יחסית, החיים כטפילים תוך תאיים במערכת הרבייה של היתוש המצוי (Cullex pipiens). ברבות הימים נקראו חיידקים אלה גם על שם וולבך (שם הסוג) וגם על-שם היתוש (שם המין): Wolbachia pipientis. חיידקים אלה, מרגע שהתמקמו בתאי הביצה של יתושה, הועברו לכל צאצאיה (כפי שמועברים מיטוכונדריונים). מאז נמצאו זנים שונים של חיידקים אלה במערכות הרבייה של פרוקי רגליים שונים: בחרקים, בסרטנים ירודים (isopods), באקריות (mites) ואף בתולעים חוטיות (filarial nematodes). מהות הסימביוזה של חיידקי Wolbachia משתנה ממאכסן למאכסן - מסימביוזה הדדית ועד טפילות מוחלטת שמשפיעה על המאכסן במגוון צורות.

צילום במיקרוסקופ אלקטרונים של Wolbachia בתוך תא של חרק.
מקור: courtesy of Scott O'Neill, PLOS biology

Wolbachia pipientis- תעודת זהות

חיידקי Wolbachia הם מתגים קטנים, נפוצים מאוד, השייכים לסדרת הריקציות (Rickettsiales) בתת-חטיבה אלפא של הפרוטאובקטריה (ובה גם אביו הקדמון של המיטוכונדריון). זו סדרה שבה כל החיידקים הם טפילים תוך תאיים, שאינם יכולים להתרבות שלא בתוך תאי המאכסן. כיום מוכרים שמונה שבטים שונים של Wolbachia. שניים מהם מתקיימים רק בתולעים ואילו ששת האחרים בפרוקי רגליים שונים. עדיין אין הסכמה לגבי הטקסונומיה שלהם - האם מדובר בזנים שונים של אותו מין, או במינים שונים מאותו סוג. אורך הגנום משתנה בין 1.7-1.08 מיליון נוקלאוטידים. עד היום נקבע רצף הנוקלאוטידים של שני זנים: האנדוסימביונטים של זבוב התסיסה (Drosophila melanogaster) ושל התולעת החוטית Brugya malayi.

סימביוזה הדדית - בתולעים חוטיות

בתולעים חוטיות, כל חיידקי ה-Wolbachia המוכרים הם סימביונטים שנהנים מבית גידול מוגן, והכרחיים למאכסן שלהם הזקוק להם לצורך גידולו. בלי הסימביונטים אין התולעים החוטיות מתפתחות היטב וכמעט שאינן מתרבות. כל התולעים החוטיות הגורמות למחלות באדם, ורבות מאלה הגורמות למחלות ביונקים אחרים, מאוכלסות בחיידקי Wolbachia. רק בשתי תולעים חוטיות לא נמצאו חיידקי Wolbachia: אחת שגורמת למחלה במכרסמים ואחרת שגורמת למחלה בצבאים. במחלת עיוורון הנהרות (ראו מסגרת) הוכח שהתגובה הדלקתית המאפיינת את המחלה נגרמת על-ידי החיידקים הסימביונטים של התולעים ולא על-ידי התולעים עצמן - אך החיידקים אינם גורמים לתגובה דלקתית אם הוחדרו למאכסן ללא התולעים. כיום נבדקת האפשרות לטפל בבני-אדם חולי Filariasis (ראו מסגרת) בחומרים אנטיביוטיים. הפגיעה בחיידקים אמורה לפגום בהתפתחות התולעים ובהתרבותן. ניסויים שנערכו ב-2005 בחולי פיילת (Elephantiasis) הראו שלאחר כחודשיים של טיפול אנטיביוטי לא היו בדם פגיות חדשות, ואף שהחולים לא החלימו, זה מנע מהם לשמש כמקור להדבקת חולים חדשים.

מעקיצות למחלות: פילאריזיס

ישנן כמה תולעים חוטיות הגורמות למחלות בבני אדם וביונקים אחרים. התולעים הבוגרות מתרבות במאכסן האנושי על-ידי השרצת פגיות קטות (מיקרופילריות), ואלה מועברות באמצעות חרקים עוקצים ממאכסן למאכסן. המחלות הנגרמות על-ידי תולעים אלה מכונות בשם הכולל פילאריזיס (Filariasis). באדם מוכרות שלוש מחלות עיקריות:

1. פילריאזיס לימפטי: מחלת הפיל או פיילת (Elephantiasis). במחלה זו מעביר יתוש את פגיות התולעים, המתרבות במערכת הלימפה של האדם העקוץ וחיות שם. ישנם שלושה מיני תולעים חוטיות השוכנות במיליוני בני אדם מודבקים. התולעת Wuchereria bancrofti חיה בתוך גופם של מעל למאה מיליון מודבקים בעולם; התולעת Brugia malayi שוכנת בכ-16 מיליון מודבקים בדרום מזרח אסיה לבדה; והתולעת Brugia timori נפוצה באינדונזיה.
2. עיוורון הנהרות (River Blindness): נגרם על-ידי התולעת החוטית Ovnchocerca olvulus, הנפוצה באפריקה הטרופית ובדרום אמריקה. התולעים מתקבצות מתחת לעור ומשריצות את הפגיות לדם, שם הפגיות נאספות על-ידי הזבובים השחורים, המעבירים אותן למאכסנים אחרים. בהדבקה ממושכת מגיעות התולעים לעצב הראייה וגורמות לעיוורון. הזבובים מתרבים באזורים שבהם מקורות מים נקיים זורמים: אזורים שלמים כאלה התרוקנו מתושביהם, שנסו על נפשם בגלל המחלה.
3. פילריאזיס תת-עורי: במחלה זו מועברים כמה מינים של תולעים חוטיות בעיקר על-ידי זבובים מהסוג Chrysops, שעקיצתם כואבת (והם נמצאים גם בארץ, באזור הכנרת). גם זבובים ויתושים אחרים, ואפילו מין של סרטנים ירודים, מעבירים תולעים אלה. התולעים מאכלסות את השכבה השומנית שמתחת לעור, וניתן לראות שם את תנועתן. אחד המינים, Loa Loa, הנפוץ רק במערב אפריקה, מדביק גם את העיניים ואפשר לראות את תנועת התולעים (שגודלן עשוי להגיע לכמה סנטימטרים) בגלגל העין.

בכל מיני התולעים הללו יש חיידקי Wolbachia אנדוסימביונטיים.

מגוון רחב של יחסי סימביוזה

כיום משערים שחיידקי ה-Wolbachia מדביקים למעלה מ-65% ממיני פרוקי הרגליים, ביניהם כמיליון מינים שונים של חרקים - ויש אף כאלה המדברים על מגיפת ענק של חיידקים אלו. ההתאמה שלהם לחרקים במשך מיליוני שנות אבולוציה השתכללה והחיידקים מותאמים להשתמש בסיבי הכישור בזמן החלוקה של התא המאכסן ובחלבונים אחרים של שלד התא המאכסן לשם תנועה בתוך התאים.

העדפתם של החיידקים לחיות בציטופלזמה של תאי רבייה (שבשל כך יש המגדירים אותם כטפילים של מערכת הרבייה) מסבירה מדוע הם מעדיפים נקבות: תאי המין של הזכרים קטנים בהרבה ואין בהם מקום לחיידקים. מתאי המין הנקביים מועברים החיידקים "אוטומטית" לדור הבא של המאכסנים, ללא צורך באמצעים נוספים (וכנראה שיש כאלה, אם כי הם עדיין לא מוכרים לנו). במילים אחרות, הגדלת מספר הנקבות באוכלוסייה היא בעצם שיפור "התנאים" של החיידקים במאכסן. הגדלת מספר הנקבות נעשית על-ידי החיידקים בשלוש דרכים:

1. השריית רביית בתולין, במינים בהם ביצים לא מופרות מתפתחות לזכרים, כאקריות, צרעות, ותריפס (thrips). התערבות החיידקים בתהליך המיוזה - בו נוצרים תאי הביצה, גורמת לכך שהמטען הגנטי של תאי הביצה יהיה דיפלואידי כמו תאי המוצא, ולא הפלואידי, וכל הצאצאייות תהיינה זהות לאם.
2. שינוי זכרים גנטיים לנקבות פנוטיפיות, מתבצע בשני מנגנונים שונים (לפחות). בעוברי סרטנים זכרים מתרבים החיידקים בתאי הבלוטה האנדרוגנית ומעכבים את הפרשת הורמוני המין הזכריים, ולכן זכרים אלה מתפתחים כנקבות. מנגנון שונה מתקיים בחרקים, אם כי פרטיו אינם ידועים.
3. קטילת עוברים זכרים - המנגנון שבו מתבצעת הקטילה אינו מוכר עדיין.

אותו זן עצמו של חיידק, אם הוא מאכלס מאכסנים שונים, נוקט בשיטות שונות, בהתאם לסוג המאכסן.

חוסר התאמה ציטופלסמתי: התמיינות והדברת מזיקים

במינים רבים של עכבישניים, סרטנים וחרקים, שבהם יש זכרים הפעילים ברבייה, גורמים החיידקים למצב של "חוסר התאמה ציטופלזמתי" (Cytoplasmic incompatibility), שבו הצאצאים לא מצליחים להתפתח אם זכרים מודבקים מפרים נקבות שאינן מודבקות כלל, או שמודבקות בזן אחר של חיידקים: תאי הזרע של הזכרים אינם מכילים חיידקים (צפוף שם...), אך חיידקי ה-Wolbachia מעורבים בתהליך יצירת הזרע (spermatogenesis) ומשנים את הכרומוזומים של תא הזרע בצורה ייחודית האופיינית לכל זן חיידקי. לאחר ההפרייה, אם אין בתא הביצית חיידקים מאותו זן שיחזירו את הכרומוזומים לצורתם המקורית, אזי אין התאמה בזוגות הכרומוזומים של העובר המתפתח. תהליך החלוקה של תאי העובּר (תהליך המיטוזה) נעצר, או שהוא ממשיך תוך כדי אובדן הכרומוזומים הזכריים. עד היום אין מידע על המנגנון המולקולרי המדויק של התהליך. כאשר שתי אוכלוסיות שונות של חרקים מאותו מין מודבקות בזנים שונים של Wolbachia, נוצר ביניהם מחסום התרבותי שבסופו של דבר, לאורך זמן, יכול להוביל להתפצלות המין לשניים.

כיום מנסים להשתמש בחרקים המודבקים ב-Wolbachia כאמצעי לצמצום כמות חרקים המזיקים לגידולים חקלאיים ולצמצום כמות היתושים. בתהליך זה מניחים כי זכרים מודבקים שישוחררו אל הסביבה יורידו משמעותית את כמות הצאצאים של הנקבות שיופרו על ידם. ניסיונות מוצלחים - שנוסו ביינתיים רק במעבדה, נעשו עם זבוב הפֵרות הים תיכוני (Ceratitis capitata) - שבאזור הים התיכון אינו מודבק ב-Wolbachia - לאחר שמצאו בברזיל זן נושא חיידקים: בהכלאה של זכרים מודבקים מהזן הברזילאי עם נקבות טבעיות (לא מודבקות) לא היו צאצאים כלל. ניסיונות דומים נעשו עם היתוש המצוי (Culex pipiens), זבוב הדובדבנים האירופי (Rhagoletis cerasi) ועש השקדים (Cadra cautella).

לסיכום

חיידקי ה-Wolbachia הם אנדוסימביונטיים של חסרי חוליות שונים. הם תורמים לפתוגניות של התולעים החוטיות בבני האדם וביונקים אחרים. בעזרת טיפול אנטיביוטי עתידי כנגד החיידקים הסימביונטים יופסקו ההתפתחות של התולעים והתרבותן, כך שיש תקווה למיליוני המודבקים בתולעים אלה. בחרקים ובפרוקי רגליים אחרים החיידקים גורמים לתופעות מיוחדות כגון אי התאמה ציטופלזמתית, שמובילה להתמיינות של מינים חדשים, לרביית בתולין, לפמיניזציה, ולהרג זכרים. אפשר לנצל את תופעת האי התאמה הציטופלזמתית להדברה ביולוגית של חרקים המזיקים לחקלאות ולאדם.

לקריאה נוספת

Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology - John H. Werren, Laura Baldo & Michael E. Clark - Nature Reviews Microbiology 6, 741-751 (October 2008)

Biology of Wolbachia - John H. Werren, Annu. Review Entomology 1997. 42:587-609

פורסם ב"גליליאו" גיליון 127, עמ' 96-92, מרץ 2009