Иммунная система малярийного комара Anopheles gambiae гораздо более сложна и эффективна, чем принято считать (фото с сайта www.monkeytime.com)
Способность в течение жизни вырабатывать иммунитет к новым инфекциям у позвоночных животных обеспечивается прижизненной перестройкой генов защитных белков — иммуноглобулинов и Т-клеточных рецепторов. Оказалось, что у насекомых тонкая подгонка набора защитных белков к конкретной инфекции тоже осуществляется путем перекомбинирования фрагментов генов, однако редактированию подвергаются не сами гены (молекулы ДНК), как в лимфоцитах позвоночных, а их копии — молекулы РНК.
Основная обязанность иммунной системы — безошибочно распознавать любую попавшую в организм заразу, в том числе и такую, с какой раньше никогда не приходилось встречаться. Для этого нужно иметь очень много разных белков, избирательно связывающихся с различными чужеродными веществами (антигенами). Позвоночные животные продуцируют сотни тысяч вариантов таких защитных белков (в том числе так называемых антител) — гораздо больше, чем генов в геноме. Высокое разнообразие защитных белков достигается благодаря прижизненным перестройкам генома в клетках иммунной системы — лимфоцитах.
В геноме «зародышевой линии», то есть в том геноме, который позвоночное животное получает от папы с мамой, нет генов антител как таковых, а есть наборы заготовок — несколько «кассет» похожих, но немного различающихся фрагментов будущего гена. В зреющем лимфоците специальные ферменты режут и перекраивают геномную ДНК, чтобы собрать из этих заготовок один функциональный ген, причем из каждой «кассеты», состоящей из десятков похожих фрагментов, случайным образом выбирается какой-то один. В разных лимфоцитах гены антител получаются разными, а общее число теоретически возможных вариантов у человека или мыши достигает трех миллионов. Подробнее об этом можно прочесть здесь. Приобретенный иммунитет формируется за счет того, что те лимфоциты, чьи антитела лучше других связываются с данным инфекционным агентом, усиленно размножаются, а гены их антител вдобавок еще и «подгоняются» к антигену за счет мутирования и дополнительного отбора.
Всего этого нет у беспозвоночных. Долгое время считалось, что беспозвоночным удается как-то обходиться одним лишь врожденным, неспецифическим иммунитетом и сравнительно небольшим числом иммунных белков — рецепторов, гены которых в «явном виде» присутствуют в геноме зародышевой линии и не подвергаются прижизненным перестройкам. Учитывая быструю эволюцию и вариабельность микроорганизмов, было довольно удивительно, каким образом беспозвоночные ухитряются при этом выжить.
Однако со временем открывалось всё больше фактов, показывающих, что у беспозвоночных тоже формируется приобретенный иммунитет и есть иммунная память. Вот только как им это удается без прижизненных перестроек генов иммунной защиты, оставалось неясным.
Иммунологи из Университета Джонса Гопкинса (Балтимор, США) обратили внимание на один весьма необычный ген, имеющийся и у позвоночных, и у насекомых. Этот ген называется DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule); определенные его мутации у человека ассоциированы с синдромом Дауна. У насекомых он, как было известно, отвечает за регуляцию роста аксонов (длинных отростков нейронов). Ген этот принадлежит к надсемейству иммуноглобулинов, то есть содержит иммуноглобулиновые домены (определенные последовательности нуклеотидов, кодирующие участки белковой молекулы, предназначенные для избирательного связывания других молекул). Иммуноглобулиновые гены есть практически у всех животных. Они выполняют разнообразные рецепторные функции, далеко не всегда связанные с иммунной защитой. Например, рост аксонов направляется определенными химическими сигналами, которые тоже кто-то должен улавливать и распознавать.
Как и почти все гены высших организмов, ген DSCAM состоит из экзонов (кодирующих участков) и вставленных между ними некодирующих интронов. После того, как на матрице гена синтезируется его РНК-копия, интроны из нее вырезаются (этот процесс называется сплайсингом), и уже эта «зрелая матричная РНК» используется как инструкция для синтеза белка. Из одной и той же незрелой РНК иногда может быть сконструировано несколько вариантов зрелой РНК (например, за счет перекомбинирования или выборочного удаления отдельных экзонов). Это явление называется «альтернативным сплайсингом». Благодаря ему один и тот же ген может кодировать несколько разных белков.
|
Уникальной особенностью гена DSCAM, содержащего 21 экзон, является то, что три из них представлены не в единственном экземпляре, а в виде целых кассет из множества немного различающихся копий: экзон №4 представлен в 14 экземплярах, экзон №6 — в 30, экзон №10 — в 38. В ходе сплайсинга сохраняется только один вариант каждого из этих экзонов. Таким образом, за счет альтернативного сплайсинга на основе единственного гена DSCAM может быть синтезировано 14 ? 30 ? 38 = 15960 разных рецепторных белков.
Мысль об участии гена DSCAM у насекомых не только в нейрогенезе, но и в иммунной защите, по правде сказать, напрашивалась давно, но доказать это удалось только сейчас. Ученые выбрали в качестве объекта исследования малярийного комара Anopheles gambiae (его геном был недавно полностью прочтен), а также культуру «гемоцитоподобных иммунокомпетентных клеток» (то есть клеток иммунной системы) этого комара. Результаты, полученные на целых живых комарах и в культуре клеток почти полностью совпали.
Оказалось, что в присутствии разных бактерий иммунные клетки производят разные наборы сплайс-вариантов белка DSCAM. Например, в ответ на заражение кишечной палочкой резко увеличивается частота использования 8-го варианта 4-го экзона, тогда как стафилококк стимулирует синтез белков DSCAM с использованием 1-го варианта того же экзона.
Искусственное «выключение» гена DSCAM приводит к резкому снижению способности комара сопротивляться инфекциям; кроме того, в его гемолимфе (аналог крови у насекомых) начинают бурно размножаться бактерии, в норме присутствующие там в небольших количествах. Это доказывает непосредственное участие DSCAM в иммунной защите.
Молекулярные биологи сегодня умеют «отключать» не только весь ген целиком, но и выборочно отдельные сплайс-варианты. Для этого в клетки вводят искусственно синтезированные короткие молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, комплементарной определенному экзону. Эти фрагменты слипаются со зрелыми РНК, содержащими данный экзон, что препятствует синтезу белка. Таким образом было показано, что отключение тех сплайс-вариантов, которые синтезируются в присутствии кишечной палочки, лишает комара способности бороться именно с кишечной палочкой, но не со стафилококком, и наоборот.
Ученым также удалось показать, что сплайс-варианты DSCAM, синтезируемые в ответ на заражение той или иной бактерией, лучше других «прилипают» именно к этой бактерии.
Изменения в спектре синтезируемых сплайс-вариантов DSCAM, спровоцированные контактом с бактериями, сохраняются в течение как минимум 18 часов после того, как контакт прекратился (что происходит потом, ученые просто не проверяли). Это отчасти объясняет наблюдаемую у насекомых «иммунную память».
Таким образом, различные сплайс-варианты белка DSCAM до некоторой степени аналогичны антителам позвоночных (хотя антитела значительно более избирательны и эффективны). Образование разнообразных сплайс-вариантов DSCAM осуществляется на основе того же комбинаторного принципа, что и образование антител у позвоночных. В обоих случаях используется случайный выбор и комбинирование отдельных фрагментов гена, каждый из которых представлен в геноме в виде нескольких альтернативных вариантов. Только у позвоночных это «перекраивание» генетической информации осуществляется на уровне ДНК, а у насекомых — на уровне РНК.
Данное исследование, на мой взгляд, представляет собой очень крупный прорыв не только в изучении иммунной системы беспозвоночных, но и в понимании общих принципов иммунитета в целом. Можно ожидать, что дальнейшие исследования приведут к открытию новых черт сходства между иммунными системами далеких друг от друга групп организмов.
За рамками исследования осталось множество важных вопросов. Например, осталось неясным, каким образом осуществляется регуляция сплайсинга. Откуда комар «знает», какие варианты белка DSCAM нужно синтезировать для борьбы с кишечной палочкой, а какие — для защиты от стафилококка? Теоретически здесь возможны два варианта:
1) Регуляция без использования обратной связи (какие-то рецепторы распознают класс антигена и дают сигнал синтезировать такой-то набор сплайс-вариантов; в этом случае все ответы известны заранее, они напрямую «записаны» где-то в геноме и являются полностью врожденными);
2) Регуляция методом проб и ошибок с использованием обратной связи (синтезируются разные варианты белка, которые затем тестируются на эффективность связывания с антигеном; синтез «удачных» вариантов продолжается, «неудачных» — прекращается; в этом случае можно говорить о настоящем приобретенном иммунитете).
Авторы статьи размышляют только над первым вариантом, но второй — более похожий на то, что происходит у позвоночных, и гораздо более гибкий и эффективный — тоже пока не исключен.
