2020-06-29
72
В ходе эволюции организмы-хозяева «выработали» разнообразные средства защиты от патогенов. Обычно белки или нуклеиновые кислоты патогена отличаются по своей структуре и химическим компонентам от макромолекул хозяина, что неизбежно вытекает из важных отличий жизненного цикла патогена от жизненного цикла хозяина. Например, малый размер генома приводит к тому, что оболочка вируса (капсид) строится из одного-нескольких белков, которые самособираются в квазисимметричную структуру (например, икосаэдра или более сложных тел, состоящих из правильных пятиугольников и шестиугольников). Такой способ сборки может приводить к эволюции особого типа белковых доменов, не встречающихся у клетки-хозяина. А для выявления этих специфических доменов клетка может развить белки-рецепторы, сигнализирующие о появлении вируса и запускающие иммунный ответ.
Одна из самых простых систем – рестрикция-модификация, распространенная у многих бактерий. Здесь клетка использует для защиты всего два гена: первый кодирует сайт-специфическую нуклеазу, которая называется рестриктазой. Этот фермент разрезает ДНК по четко определенным мотивам – коротким последовательностям ДНК, 4-8 нуклеотидов в длину. Второй кодирует фермент, который вносит ковалентные модификации в ДНК по тем же коротким последовательностям, делая их непригодными для внесения разрезов рестриктазой (Wilson, 1991). В результате те участки, которые есть в геноме хозяина и могли бы расщепляться рестриктазой, защищены от ее действия модификацией, а новая ДНК вирусов и прочих паразитов, поступающая в клетку, не защищена от расщепления и уничтожается до того, как причинит клетке существенный вред. Такая простая система используется клетками не только для защиты от геномных паразитов, но и для регуляции разнообразных клеточных процессов, например, клеточного цикла и деления у кишечной палочки (Reisenauer et al., 1999).
Один из наиболее распространенных способов защиты у прокариот и у эукариот – РНК-интерференция. Система основана на белках (например, белок Dicer), которые распознают двуцепочечные РНК, возникающие в ходе репликации генома многих вирусов. В дальнейшем эти РНК расщепляются на короткие одноцепочечные фрагменты, и другая система белков, называемая Argonaute, занимается поиском всех нуклеиновых кислот, обладающих определенным сходством с фрагментами исходной РНК, и расщеплением их (Mello & Conte, 2004). РНК-интерференция распространена во всех основных группах живых организмов, от бактерий до многоклеточных животных, и в разных группах организмов на канонический путь РНК-интерференции накладываются дополнительные защитные механизмы: РНК-направляемое метилирование ДНК и ее последующая эпигенетическая инактивация, программируемые перестройки генома, исключение ДНК, имеющей отношение к геномным паразитом, из мейоза и полового размножения (Cerutti & Casas-Mollano, 2006). Интересно, что у общего предка эукариот помимо системы детекции двуцепочечных РНК и расщепления похожих на них нуклеиновых кислот есть еще РНК-зависимая РНК-полимераза (Cerutti & Casas-Mollano, 2006) – фермент, заимствованный у вирусов и способный синтезировать РНК-копию на РНК-матрице. Благодаря этому, системы РНК-интерференции у многих эукариот способны пополнять набор коротких РНК, по которым осуществляется поиск потенциальных нуклеиновых кислот вирусного происхождения. Более того, РНК, часть которой распознана как имеющая вирусное происхождение, может вся расщепляться на новые короткие РНК, используемые для выявления новых паразитов. Так происходит у плодовой мушки Drosophila melanogaster в системе piРНК (Sarkar et al., 2017). Наконец, как piРНК, так и другие короткие интерферирующие РНК часто используются в регуляции собственных генов хозяина, когда их необходимо «выключить» (Sarkar et al., 2017). Такая тесная связь систем защиты хозяина от паразитов и заимствований от этих же паразитов аналогична отсутствию чистых форм в диалектике: инструмент борьбы с паразитами редко используется только по назначению, неизбежно возникают дополнительные функции, которые он мог бы исполнять, и эти «функциональные ниши» быстро заполняются эволюцией. Показательно, что отдельный класс коротких РНК, микроРНК, вовлечены практически во все процессы развития и патогенеза у животных, они транскрибируются с генов, которые не имеют никакой видимой связи с вирусами или транспозонами, и их нарушения могут приводить к различным болезням, например, к раку у человека (Ha & Kim, 2014).
Другой известный механизм борьбы с паразитами, система CRISPR-Cas, найден в отличие от РНК-интерференции только у прокариот. Эта система основана на специальных повторах в геноме, в которые встраиваются фрагменты всех новых нуклеиновых кислот, поступающих в клетку. Далее с этих повторов в геноме снимается РНК-копия и разрезается на короткие РНК, которые, как и короткие интерферирующие РНК, служат «гидом» для расщепления всех нуклеиновых кислот в клетке, которые имеют с этими гидовыми РНК определенное сходство. Таким образом, CRISPR-Cas это адаптивная иммунная система, направленная против вирусов-бактериофагов, уничтожающих клетки прокариот (Hille et al., 2018). В геномных повторах CRISPR хранится информация о прошлых инфекциях клетки бактериофагами, благодаря чему она обладает приобретенным иммунитетом к новым инфекциям этими фагами: поступающая внутрь фаговая ДНК сразу же расщепляется специальными белками-каспазами. Как и в РНК-интерференции, система CRISPR-Cas работает с множеством надстроек, обеспечивающих выбор в первую очередь чужеродных, фаговых последовательностей, а не клеточных, для встраивания в систему повторов (Sternberg et al., 2016). Еще более примечательно то, что совершенно аналогичная система независимо возникла у инфузорий. Эта система, названная IES-Ias, распознает чужеродную ДНК аналогично белкам РНК-интерференции, однако система удаления этой ДНК возникла из совершенно не связанных с адаптивным иммунитетом белков (Swart & Nowacki, 2015). Это – еще одно подтверждение диалектических принципов коэволюции патогена и хозяина, согласно которым в сходных условиях «борьбы интересов» из различных молекулярных компонентов возникают системы аналогичного действия.
Помимо иммунных систем, действующих на нуклеиновых кислотах, есть и белковые иммунные системы, не использующие принцип матричного синтеза нуклеиновых кислот и распознавания чужеродной нуклеиновой кислоты по принципу комплементарности с гидовой РНК. Самый простой и распространенный тип – врожденный иммунитет, то есть белковые системы, которые распознают те или иные консервативные черты вирусных макромолекул, и затем расщепляют их или «передают» другим иммунным системам, например, РНК-интерференции. Так, у человека есть семейство из 13 генов TLR, каждый из которых распознает специфический патоген-ассоциированный молекулярный паттерн, например, липополисахарид (специфическая поверхностная молекула грам-отрицательных бактерий), муреин (компонент клеточной стенки бактерий), двуцепочечную РНК и т. д. (Takeda & Akira, 2015). Помимо иммунных процессов, TLR запускают также многие процессы развития, и эта двойная роль присуща TLR со времени происхождения многоклеточных животных (Brennan & Gilmore, 2018). Помимо уничтожения паразита, белки врожденного иммунитета занимаются эпигенетической репрессией (подавлением) тех вирусов и транспозонов, которые уже встроились в геном хозяина. Например, самое большое семейство факторов транскрипции позвоночных KRAB-ZFP занимается репрессией транспозонов, распознавая их последовательности по коротким консервативным участкам. Это семейство постоянно эволюционирует, чтобы «успевать» блокировать постоянно эволюционирующие транспозоны. И как обычно, эти белки участвуют в регуляции собственных генов клетки (Ecco et al., 2017).
После распознавания патогена TLR и другие белки-рецепторы врожденного иммунитета запускают адаптивный иммунный ответ. У млекопитающих адаптивный иммунный ответ основан на иммуноглобулинах, или антителах. Это белки, который способны узнавать различные чужеродные молекулы и вызывать определенный ответ на их внедрение. Антитела синтезируются В-лимфоцитами, при этом в ходе развития в геноме каждого В-лимфоцита происходят перестройки, которые дают различные варианты антиген-узнающего домена антитела. В результате каждый В-лимфоцит синтезирует строго определенный, единственный вариант антиген-узнающего домена на своих антителах. В-лимфоциты подвергаются отбору на способность синтезировать правильно собранные антитела, которые при этом не узнают собственные белки организма. Появление нового антигена в организме приводит к отбору тех В-лимфоциов, которые способны его распознавать, и синтезу большого количества антител, специфичных именно к этому антигену. По аналогии с остальными системами защиты от патогенов, здесь также наблюдается большое количество надстроек. Помимо В-лимфоцитов есть еще и Т-лимфоциты, которые также имеют вариабельные рецепторы антигенов, но занимаются подавлением внутриклеточных вирусных инфекций и регуляцией В-клеток. Более того, есть еще множество клеточных типов, занимающихся врожденным иммунитетом, ответом на специфические патогены и удалением аутоиммунных Т- и В-клеток (Herwald & Egesten, 2017).
Итак, мы видим большое разнообразие систем защиты от патогенов, возникающих независимо в различных эволюционных линиях, но в сходных условиях. Естественно, такое разнообразие иммунных систем порождает адекватные средства противодействовать им, ведь, по диалектике, любое действие рождает противодействие, оно не может быть односторонним.
