Морские беспозвоночные Hydractinia symbiolongicarpus, колониальные книдарии, живущие на скалах и раковинах в прибрежных районах океана, должны уметь защищать свою территорию от других особей, не подвергая себя при этом опасности.
Исследование, опубликованное 26 сентября в PNAS, позволило изучить генетические основы аллорекогниции (аллораспознавании) - способности животного отличать себя от других представителей того же вида. К удивлению исследователей, белки, участвующие в таком распознавании, имеют поразительное сходство с белками иммуноглобулинов. Полученные результаты позволяют предположить, что гены иммуноглобулинов развились гораздо раньше, чем считалось ранее.
"Это еще одна веха в нашем понимании аллораспознавания у цинидарий", - говорит Ульрих Технау, биолог развития из Венского университета в Австрии, который не принимал участия в исследовании. "[Исследование] замечательно, потому что оно открывает совершенно новый взгляд на предмет, объединяя геномику с новыми структурно-биологическими методами".
Hydractinia symbiolongicarpus является членом филума Cnidaria, что делает его близким родственником медуз и кораллов. По словам соавтора исследования Мэтью Никотра, эколога из Питтсбургского университета, склонность этого животного к образованию больших колоний сопряжена с определенными проблемами. Поскольку представители одного вида обитают в одном и том же пространстве, они часто сталкиваются друг с другом. И когда один вид растет, например, на поверхности скалы и сталкивается с другим, ему необходимо знать, сталкивается ли он с тем же видом или с другим. "Если он сталкивается с сородичами, то они просто сольются вместе", - объясняет Никотра. "Но если это неродное животное, то они начнут бороться друг с другом за это пространство".
Никотра и его коллеги ранее определили, что аллораспознавание у Hydractinia symbiolognicarpus включает гены Alr1 и Alr2. Исследователи также знали, что Alr1 и Alr2 расположены близко друг к другу в геноме, в области, называемой комплексом аллораспознавания. По словам Никотры, это позволяет предположить, что данный регион напоминает комплекс гистосовместимости - генетический локус, обнаруженный у позвоночных животных, в котором сгруппированы гены, кодирующие белки клеточной поверхности иммунной системы.
В новом исследовании Никотра и его сотрудники секвенировали весь геном Hydractinia symbiolongicarpus и собрали комплекс аллораспознавания, чтобы проверить, присутствуют ли в регионе другие гены, похожие на Alr1 и Alr2. Они обнаружили не только эти два гена, но и 40 аналогичных локусов. Из них 18 генов, по-видимому, кодируют белки, которые содержат домены, которые очень похожи во всех этих 18 генах.
Последовательности аминокислот напоминали Ig-домены - домены, содержащиеся в иммуноглобулиновых белках, которые включают антитела и рецепторы на B- и T-клетках нашей иммунной системы. Однако исследователи не были уверены в истинной идентичности последовательностей, так как "они не совпадали со многими традиционными последовательностями", - вспоминает Никотра. Но когда они использовали AlphaFold, алгоритм, предсказывающий трехмерную структуру белков на основе их аминокислотной последовательности, "стало совершенно ясно, что это действительно иммуноглобулиновые домены в этих белках". Иммуноглобулиновые белки имеют некоторые характерные области.
Одним из таких регионов является так называемый V-домен (v- вариабельный), который позволяет специализированным иммунным клеткам распознавать патогены или клетки. Если посмотреть на структуру белка, то белки Hydractinia обладают доменом V-set на самом кончике каждого белка. "Этот домен не был обнаружен у организмов, не относящихся к группе Bilateria - организмов с двусторонней симметрией. Книдарии являются родственными таксонами для всех этих животных".
Эти результаты позволяют предположить, что домены V-set развились раньше, чем ожидалось, говорит Никотра, "еще у последнего общего предка книдарий и всех билатерий". Однако Технау предупреждает, что нелегко сказать, развивался ли домен у общего предка или же он развивался отдельно как у книдарий, так и у билатерий. Чтобы определить, какой из двух сценариев, скорее всего, привел к новым результатам, Технау предлагает добавить в анализ внешнюю группу, то есть рассмотреть еще более отдаленно родственную группу организмов в качестве эталона.
"Давление отбора для определенных структур белка может способствовать и благоприятствовать присутствию конкретных аминокислот в определенных позициях", - считает Технау. Хотя он говорит, что не уверен, какой сценарий более вероятен, "оба варианта одинаково интересны и увлекательны, потому что либо они раскрывают происхождение распознавания "я - не я" на основе одного и того же вида иммуноглобулиноподобных молекул у общего предка позвоночных и книдарий, либо разные линии животных выработали очень похожие решения одной и той же проблемы".
Никотра утверждает, что конвергентная эволюция, в ходе которой билатерии и книдарии независимо друг от друга развили этот признак, является менее вероятным сценарием, поскольку была обнаружена некоторая гомология на уровне последовательностей. В то время как внеклеточные домены новых идентифицированных белков очень похожи, внутриклеточные домены выглядят по-разному. Некоторые белки могут также играть роль в аллораспознавании, например, Alr1 и Alr2, но изучение тех белков, которые не играют такой роли, "может дать ключ к разгадке того, как развивалась система аллораспознавания" и от какой другой функции они происходят.
Выявив эту группу генов, Никотра теперь собирается обратить внимание на то, что эти гены делают. Возможно, существует связь с нашей иммунной системой: некоторые недавно открытые белки содержат внутриклеточный мотив, который в белках позвоночных действует как переключатель для иммунных клеток. "Возможно, они участвуют в другой половине этого ответа, когда вместо того, чтобы сливаться вместе, они начинают бороться с [не-самим-собой]".
