Исследование демонстрирует сохранение механизмов гибели клеток иммунной системы, зародившихся миллиарды лет назад в одноклеточных организмах.
Иммунная система человека, это чудо сложности, тонкости и изощренности, включает в себя семейство белков возрастом в миллиард лет, используемых бактериями для защиты от вирусов, обнаружили ученые из Онкологического института Дана-Фарбер.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, являются новейшими в растущем количестве доказательств того, что компоненты нашей иммунной системы - столь совершенной защиты от болезней, какая только существует на планете, - развивались на ранних стадиях в древних формах жизни. Исследование показывает, что иммунная система поглотила уже существующие элементы и в течение эонов эволюции использовала их по-новому, чтобы удовлетворить потребности таких биологически сложных существ, как человек.
"Исследователи всего мира проделали огромную работу, чтобы понять, как функционирует иммунная система человека", - говорит старший автор исследования Филип Кранзуш. "Открытие того, что ключевые элементы иммунитета человека являются общими с бактериями, дает новый импульс для исследований в этой области".
Белки, находящиеся в центре исследования, известны как газдермины. Когда клетка инфицируется или становится раковой, газдермины образуют поры, пробивающие отверстия в ее мембране, что приводит к ее гибели. Из отверстий просачиваются вещества, известные как воспалительные цитокины, сигнализирующие о наличии инфекции или рака и побуждающие иммунную систему встать на защиту организма. Этот процесс, называемый пироптозом, является одним из аспектов репертуара иммунной системы для уничтожения больных или инфицированных клеток. Он дополняет более известный процесс апоптоза, при котором поврежденные или инфицированные клетки самоуничтожаются.
"Пироптоз представляет собой один из самых быстрых способов реагирования врожденной иммунной системы на потенциальные угрозы",
- говорит Кранзуш. В геноме человека содержится код шести белков газдермина, которые экспрессируются на разных уровнях в различных типах клеток. Для нынешнего исследования Кранзуш и его коллеги выяснили, существуют ли предки любого из этих белков в бактериях.
У них были веские причины думать, что они могут существовать. В 2019 году Кранзуш и его коллеги обнаружили, что человеческий иммунный сигнальный путь под названием cGAS-STING, который распознает аномалии, связанные с раком и инфекциями, зародился в бактериях. "Это и другие открытия побудили нас искать дополнительные связи между белками, связанными с иммунитетом, в клетках человека и бактерий", - отмечает Кранзуш.
Соавторы исследования из Научного института Вейцмана в Израиле проанализировали участки бактериальной ДНК, известные как "острова антифаговой защиты", поскольку они содержат кластеры генов, защищающих бактерии от заражения вирусами, известными как фаги. Они идентифицировали 50 бактериальных генов, которые, по прогнозам, должны были дать начало белкам, структура которых была похожа на структуру белков газдермина у млекопитающих.
"Я определил ряд структур этих белков с помощью рентгеновской кристаллографии, которая подтвердила атомное сходство их архитектуры с газодерминами млекопитающих", - рассказывает Кранзуш. Виды бактерий, в которых содержатся эти белки, широко распространены, они живут в почве, листьях и других естественных средах обитания. (Конкретная бактерия, наиболее изученная в исследовании, была впервые обнаружена на кукурузе).
Эта структурная работа показала, что хотя человеческие и бактериальные газдермины структурно похожи, бактериальные версии, как правило, вдвое меньше, но служат строительными блоками для мембранных пор, больших, чем у человека. Все газдермины активируются по сходному механизму, но цепь событий, которые они приводят в движение, в клетках человека гораздо более обширна. В бактериальных клетках вирусная инфекция может вызвать гибель клеток из-за проколотых мембран, что останавливает вирусы на их пути. В человеческих клетках гибель инфицированной клетки запускает каскад событий, в результате которых другие элементы иммунной системы начинают бороться с инфекцией.
"Это пример очень примитивной формы защиты, которая у человека была адаптирована и расширена за счет регуляторных систем, позволяющих нашему организму реагировать на инфекцию или рак", - говорит Кранзуш.
Обнаружение следов примитивной формы иммунитета среди ошеломляющей сложности иммунной системы человека может помочь исследователям лучше понять, как эта система возникла. "Увидев простейшую версию машины, можно получить новый уровень понимания машины в целом", - замечает Кранзуш. "Тот же принцип может быть применен к исследованию иммунной системы".
