http://elementy.ru/news/431239

Бактерии наследуют приобретенный иммунитет

21.01.10 | Генетика, Эволюция, Елена Наймарк | Комментарии (4)

В последние годы биологи активно исследуют недавно открытый особый тип иммунитета у бактерий и архей. Иммунный ответ обеспечивают специальные РНК, гены которых располагаются в особых локусах, получивших название CRISPR. Эти РНК распознают чужеродную ДНК и помогают ее уничтожить. Замечательно, что при внедрении нового вируса формируются новые соответствующие гены в системе CRISPR у зараженной бактерии, и родительская клетка передает приобретенный иммунитет по наследству. В системе CRISPR также имеется встроенный механизм защиты собственной ДНК от аутоиммунного разрушения.

Иммунитет помогает всем живым существам справляться с внедрением чужеродных агентов, в том числе и паразитов. Иммунная система — это сложный биохимический аппарат; у высших животных он нацелен на быстрое распознавание паразита и усиленное производство антител, которые помогают его обезвредить. Важнейшее звено иммунной машины позвоночных — выработка нужных, специфических, антител — является остроумным изобретением природы: из миллионов имеющихся лимфоцитов выбирается один или несколько таких, у которых поверхностные белки оказываются комплементарными антигену внедрившегося паразита. Образование комплекса антиген–антитело вызывает усиленное размножение именного этого типа лимфоцитов, что и обеспечивает быструю иммунную реакцию.

Источником замечательного разнообразия лимфоцитов служат неисчислимые комбинации нескольких коротких отрезков нуклеотидных последовательностей, из которых в созревающем лимфоците собираются гены антител. Таким образом, клетке не обязательно хранить отдельные гены для каждого антитела, можно хранить набор заготовок, а затем, по мере надобности, подбирать нужную комбинацию заготовок. Родители передают потомкам именно наборы заготовок. Поэтому приобретенный за жизнь иммунитет не может наследоваться, наследуется только возможность его приобрести. Так обстоят дела у позвоночных животных.

У беспозвоночных животных и растений иммунитет преимущественно врожденный (см. Иммунитет растений), а если и есть элементы приобретенного иммунитета, то развивающиеся в течение жизни организма защитные средства не передаются от родителей к потомкам — наследуется только способность их вырабатывать. А вот бактерии и археи, как выяснилось в исследованиях последних лет, способны передавать приобретенный иммунитет по наследству, демонстрируя тем самым один из редких случаев настоящего «ламарковского» наследования (см. Наследование приобретенных признаков).

В 2002 году началось планомерное изучение особых участков (локусов) бактериального генома, которые представляют собой расположенные группами короткие палиндромные повторы (CRISPR, clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Эти локусы найдены у 90% архей и 40% бактерий.

Локусы CRISPR состоят из нескольких несоприкасающихся палиндромных повторов, между которыми имеются промежутки — спейсеры. Спейсер представляет собой короткий участок вирусной илиплазмидной ДНК. Размер CRISPR-повтора исчисляется 23–47 нуклеотидными парами, а спейсеров — от 21 до 72 нуклеотидных пар. Число групп «повтор/спейсер» может достигать 375, но обычно меньше 50. В бактериальном геноме может быть не один, а несколько локусов CRISPR.

В непосредственной близости от CRISPR расположены гены специальных белков, называемых Cas (CRISPR associated). Обычно Cas — это нуклеазы, полимеразы, нуклеотид-связывающие белки; всего эта группа объединяет около 40 семейств белков.

Повторы CRISPR-последовательностей очень консервативны в пределах каждого вида микробов, но сильно различаются от вида к виду.

В 2007 году было экспериментально показано, что бактерия Streptococcus thermophilus в ходе борьбы с вирусами-бактериофагами изменяет последовательность CRISPR, достраивая к концу старой последовательности еще одну или несколько единиц «повтор/спейсер». Добавленные спейсеры были аналогичны участкам вирусного генома. При этом бактерии приобретали устойчивость к данному вирусу. Если изменить последовательность нуклеотидов добавленного спейсера или вообще вырезать спейсер, то приобретенная устойчивость к фагу теряется.

В последующие два года ученые доказали, что локусы CRISPR эволюционируют в ответ на вирусную активность, так что состав и порядок расположения спейсеров указывает на историю различных вирусных атак. Итак, взаимодействие с вирусами и чужеродными плазмидами приводит к появлению иммунитета, который сохраняется в ряде поколений данного штамма. Ученые предположили, каким может быть механизм приобретения и наследования иммунитета.

Во-первых, в формировании иммунитета участвуют Сas-белки. Инактивация cas-генов ведет к снижению или потере способности интегрировать в качестве спейсеров вирусную или плазмидную ДНК. Если в клетку проникает чужеродная ДНК, то Сas-белки перво-наперво распознают ее. Потом они же вырезают участок чужеродной ДНК и достраивают в локус CRISPR новую рабочую единицу «повтор/спейсер». Обновленная бактериальная ДНК в дальнейшем нормально дуплицируется и передается по наследству потомкам данной бактерии. При транскрипции CRISPR формируется цепочка РНК (CRISPR-РНК, или crРНК), которая затем нарезается на короткие кусочки, состоящие из двух половинок палиндромного повтора и заключенного между ними спейсера. Эту нарезку также осуществляют Сas-белки.

В результате получается внушительный набор коротких crРНК с различными вирусными спейсерами. Среди них и тот, который был счастливо приобретен при недавнем инфицировании. crРНК объединяются с некоторыми Сas-белками. Если в такую клетку снова попадает этот вирус, то РНК, несущая соответствующий спейсер, узнает комплементарный участок вирусной ДНК, а Сas-белки обеспечивают инактивацию и избавление от паразитической ДНК. Само собой разумеется, что узнавание чужеродной ДНК при помощи crРНК осуществляется гораздо эффективнее и быстрее, чем исходное распознавание, с которого началось формирование иммунитета.

Можно себе представить, что при частых атаках определенного вируса соответствующая рабочая единица «повтор/спейсер» будет поддерживаться в рабочем состоянии в ряде поколений (мутации, повреждающие ее, будут отсеиваться отбором). Если же паразит оказался редким или экзотическим, то соответствующая единица «повтор/спейсер» быстро накопит мутации, перестанет работать или исчезнет вовсе. Так что CRISPR-иммунитет — это самонастраивающаяся система. Взаимодействие между бактериями и вирусами заставляет их геномы эволюционировать чрезвычайно быстро.

Совсем недавно американские ученые из Северо-Западного университета (Эванстон, Иллинойс) открыли, как бактериям удается избежать аутоиммунной реакции при функционировании crРНК. Гипотетически crРНК должны бы распознать участок «родного» локуса CRISPR в бактериальной хромосоме и деактивировать его. Но ведь этого не происходит. Оказалось, что в распознавании чужеродных ДНК участвуют не только спейсеры, но и ограничивающие спейсер фрагменты палиндромных повторов. Если при спаривании crРНК с ДНК комплементарным оказывается не только спейсер, но и окружающие его нуклеотиды, то crРНК узнает «родную» ДНК, и иммунная атака не происходит. Если же спаривается только спейсер crРНК, то это означает чужеродную цепочку, и тогда белки Cas избавляются от паразитической ДНК.

Источники:

1) Philippe Horvath, Rodolphe Barrangou. CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea //Science. 2010. V. 327. P. 167–170. DOI: 10.1126/science.1179555.

2) Luciano A. Marraffini, Erik J. Sontheimer. Self versus non-self discrimination during CRISPR RNA-directed immunity // Nature. 13 January 2010. Doi: 10.1038/nature08703.

Елена Наймарк

http://elementy.ru/news?discuss=431239 Комментарии (4) 9/11/2010

Бактерии наследуют приобретенный иммунитет

В последние годы биологи активно исследуют недавно открытый особый тип иммунитета у бактерий и архей. Специальные РНК, гены которых располагаются в особых локусах CRISPR, распознают чужеродную ДНК и помогают ее уничтожить. Замечательно, что при внедрении нового вируса формируются новые соответствующие гены в системе CRISPR у зараженной бактерии, и родительская клетка передает приобретенный иммунитет по наследству.

Весьма познавательно, да. Только с "одним из редких случаев настоящего 'ламарковского' наследования" в мире одноклеточности и вездесущих горизонтальных переносов, наверное, не сов7 в кассу.

Ну все... Дело теперь за малым товарищи ученые.

Прикрутить этот механизм к человеческому иммунитету и тогда человечеству обеспечена окончательная и бесповоротная победа над всеми зловредными бациллами...

Кхе кхе кхе апчхи )))

Ничего не выйдет: вирусы и бактерии эволюционируют быстрее, чем мы размножаемся. Унаследованный приобретенный иммунитет будет слишком быстро "устаревать".

Оно уже прикручено, примерно таким же способом. Поищите, здесь была статья. Ребёнок наследует иммунитет, приобретённый матерью перед беременностью.