Бактериальным многоклеточным суперорганизмам приходится вырабатывать защитные механизмы, чтобы бороться с инфекциями, и микробиологи обнаружили, что они используют арсенал, очень похожий на иммунную систему человека.
Подавляющее большинство бактерий - это одноклеточные существа, которые конкурируют друг с другом за выживание. Однако некоторые бактерии объединяются в многоклеточные сообщества. В то время как бактерии-одиночки могут похвастаться впечатляющим генетическим разнообразием, кооперирующиеся бактерии генетически схожи, что исключает возможность мутаций, способствующих их собственному росту за счет коллектива.
Но низкое генетическое разнообразие увеличивает риск того, что популяция может быть уничтожена атакой бактериофагов, и многоклеточным бактериям необходимо развивать быстро адаптирующиеся защитные механизмы, чтобы выжить. Недавно исследователи обнаружили в бактериальных сообществах систему мутагенеза, которая во многом напоминает иммунную систему человека. Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, опровергают мнение о том, что бактериям не хватает сложных защитных систем, чтобы противостоять захватчикам. Ученые давно знали об этой особой системе мутагенеза, известной как генерирующие разнообразие ретроэлементы (DGR), но не понимали ее назначения. "Никто толком не понимал, зачем они нужны бактериям или археям", - говорит Элизабет Уилбэнкс, микробиолог из Калифорнийского университета и соавтор исследования.
Врожденная иммунная система человека содержит толл-подобные рецепторы (TLR), которые распознают общие сигналы от инфекционных агентов, например компоненты бактериальных мембран или клеточных стенок грибков. Аналогичным образом DGR кодируют белки с доменами, которые распознают общие бактериальные угрозы, например рецептор домена олигомеризации нуклеотидов (NLR), который распознает чужеродную ДНК, исходящую от бактериофагов. "Белки [DGR] не являются эволюционно родственными, но [структурно] аналогичны антителам", - объясняет Аравинд Айер, специалист по вычислительной биологии из Национального института здоровья США, который не принимал участия в работе. "Можно сделать вывод, что они выполняют нечто подобное по аналогии".
В-клетки вырабатывают антитела и настраивают их структуру для более сильного связывания с антигенами путем гипермутации генов антител, а DGR гипермутируют определенные участки в генах-мишенях с помощью полимеразы склонной к ошибкам. (При синтезе ДНК склонные к ошибкам ДНК-полимеразы (error-prone polymerase) часто встраивают напротив повреждения нужный (корректный) нуклеотид, восстанавливая таким образом первоначальную структуру ДНК - прим.ред.). Такая система может позволить бактериям быстро перестраивать иммунные сенсоры, чтобы адаптироваться к различным инфекционным агентам.
Пораженные сходством с иммунитетом человека, Уилбэнкс и ее коллеги продолжили изучение этого неуловимого механизма. Чтобы выяснить, может ли DGR защищать многоклеточные бактерии от инфекционных угроз, ученые выбрали "розовые ягоды" - миллиметровые скопления бактерий, обитающих на дне солончаков, которые, как правило, развиваются медленно. Что действительно хорошо в розовых ягодах, так это то, что они находятся в том самом "сладком месте": они дикие, но не настолько эфемерные и изменчивые", - пояснила Уилбэнкс.
DGR встречаются лишь в 2% прокариотических геномов, они очень редки, а среди видов, несущих их, только 2% имеют более одной версии системы. Исследователи секвенировали геном пурпурной серной бактерии Thiohalocapsa PB-PSB1, доминирующего вида в розовых ягодах, и проверили его на наличие DGR. В геноме этой бактерии было обнаружено девять разновидностей. Эта сокровищница систем мутагенеза позволила бактерии подвергнуть гипермутации 21 последовательность 15 целевых генов, что дало ей возможность произвести ошеломляющие 10282 вариации - практически безграничное разнообразие, превышающее количество протонов во Вселенной.
Чтобы определить, насколько часто другие виды бактерий содержат DGR в своих геномах, Уилбэнкс и ее группа провели филогенетический анализ общедоступных геномных последовательностей. Они обнаружили, что только многоклеточные бактерии несут несколько DGR, что говорит о том, что эти системы имеют решающее значение для поддержания многоклеточной жизни. "С точки зрения конвергентной эволюции это говорит нам о том, что развитие сложного иммунного ответа очень важно на раннем этапе для выживания многоклеточной формы", - считает Уилбэнкс.
Чтобы подтвердить, что DGR гипермутируют свои мишени, исследователи искали вариации в генах-мишенях. Проведя секвенирование отдельных геномов сотен розовых ягод, они увидели большое разнообразие в целевых участках. В то же время остальные геномы были очень похожи друг на друга и имели более 98,9% общих последовательностей. Это говорит о том, что гены, на которые нацелены DGR, мутируют гораздо быстрее, чем остальной геном, что предполагает их быструю адаптацию к изменяющимся условиям окружающей среды или вспышкам заболеваний. Хотя результаты исследования позволяют предположить, что DGR вооружает бактерии против захватчиков, многое еще предстоит выяснить. По словам Айера, "самое важное - узнать, какие вирусы распознаются и какие молекулы в них содержатся".
Также предстоит выяснить, как они ограничивают распространение патогенов. Когда человеческие клетки инфицируются, они часто жертвуют собой через апоптоз, который заключает патоген в маленькие апоптотические тельца и ограничивает его распространение на другие клетки. Подобно этой системе, иммунные сенсоры, кодируемые целевыми генами в DGR, участвуют в механизмах программируемой клеточной смерти, поэтому инфицированные бактерии могут аналогичным образом жертвовать собой на благо колонии. "Это становится полезным в системе, где вы можете защитить остальных членов коллектива от заражения", - предполагает Уилбэнкс.
Хотя появляется все больше доказательств того, что DGR защищает от патогенов, ученые еще не доказали это экспериментально. В качестве альтернативы иммунной защите эти системы могут позволить бактериям чувствовать, есть ли поблизости близкие родственники. Некоторые виды грибков сливают свои клетки вместе, но не могут допустить смешения видов или штаммов, поэтому они используют домены NLR, чтобы проверить, является ли близкая клетка их клоном, прежде чем слиться. Уилбэнкс считает, что бактериальные собратья в розовых ягодах могут использовать механизмы DGR для подобных проверок. "Они могут использоваться для обнаружения тонких различий на уровне штаммов, чтобы решить, с кем они хотят объединиться", - говорит она. "Это еще одна очень интригующая возможность того, для чего они могут использоваться".
