Гомологичные защитные белки архей и эукариот указывают на роль этих ранних прокариот в формировании иммунной системы современных сложных организмов.
Согласно существующим гипотезам, все живое на Земле произошло от общего предка, который диверсифицировался в разнообразие организмов, наблюдаемое сегодня. Ученые предполагают, что эукариотическая ветвь этого семейного древа образовалась при слиянии двух прокариот - древней бактерии и архейной клетки - и сформировала симбиотические отношения, сохранявшиеся в течение долгого времени.
«Если это правда, - говорит Педро Лео, специалист по биологии архей из Университета Радбоуда, - то мы должны понять, какие черты этот [архейный] хозяин привнес в первый эукариот». Лео давно изучал архейское происхождение эукариот, или эукариогенез и наткнулся на прокариотические защитные системы после того, как он и его коллеги обнаружили вирусы, инфицирующие архей. Он решил, что археи, как и бактерии, также обладают противовирусными механизмами, и они могли сохраниться в современных эукариотах. Он начал копаться в литературе в поисках информации о защитных системах архей и происхождении эукариотического иммунитета и нашел статью, которая вызвала его интерес: в ней компоненты эукариотического иммунитета приписывались преимущественно бактериям и лишь вскользь упоминалось о существовании защитных белков архей.
Лео понял, что одной из причин такого невнимания к археям было то, что архейные геномы были слабо представлены в исследованиях, изучавших прокариотическое происхождение эукариотических защитных систем. «Я подумал: »Хорошо, это простая задача для нашей работы. Мы можем просто собрать хороший массив данных по геномам архей и поискать точно такие же вещи», - вспоминает Лео.
Он и его коллеги изучили защитные системы архей-асгардов, ближайших современных прокариотических родственников эукариот, и сравнили их гомологию с системами эукариот. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи продемонстрировали, что два класса белков защитной системы, обнаруженных у этих архей, родственны белкам эукариот. Полученные данные позволяют глубже понять происхождение ранних иммунных систем и их функционирование.
Лео и его сотрудники использовали базу данных прокариотических защитных систем для изучения распределения защитных систем в геномах архей, включая археи Асгарда и бактерий. Исследователи выявили две группы белков, которые были более распространены в археях Асгарда, чем в других археях и бактериях: аргонавты, белки из комплекса РНК-индуцированного сайленсинга, и вайперины (сокращение от virus-inhibitory protein, endoplasmic reticulum-associated, interferon inducible - вирус-ингибиторный белок, ассоциированный с эндоплазматическим ретикулумом, индуцируемый интерфероном).
Вайперины и аргонавты широко представлены в эукариотических системах противовирусной защиты, поэтому исследователи сравнили сходство этих белков с белками архей Асгарда. Они построили филогенетическое дерево, используя геномы эукариот, архей и бактерий, и показали, что белки вайперины и аргонавты в эукариотах имеют общего предка с белками из архей Асгарда. Кроме того, они подтвердили, что структурная гомология, включая ключевые функциональные домены, обоих белков сохраняется между археями и эукариотами.
Исследователи проиллюстрировали, что защитные белки из группы архей Асгарда, ближайших современных прокариотических родственников эукариот, очень похожи на те же белки, которые встречаются у человека. Иллюстрация: Pedro Leão.
Хотя общая последовательность и структурная гомология этих белков была многообещающей, Лео стремился продемонстрировать, что эти архейские белки функционируют подобно белкам эукариот. Для оценки активности вайперинов исследователи экспрессировали 48 различных генов вайперина асгардов в Escherichia coli, а затем ввели бактериофаги. Из полученных белков девять защищали кишечную палочку от вирусной инфекции. Поскольку некоторые последовательности были более схожи с таковыми у эукариот, исследователи оптимизировали гены вайперинов, кодирующие эти девять белков для экспрессии в E. coli, и еще один архейный вайперин продемонстрировал антифаговую активность.
Авторы также обнаружили, что в среднем археи Асгарда имеют сопоставимое с другими археями и бактериями количество защитных систем на геном. Однако у некоторых классов этот показатель был гораздо ниже, в том числе у Heimdallarchaeia, наиболее похожих на эукариоты. «На мой взгляд, это хорошая подсказка, что у архей в целом могут быть какие-то уникальные защитные системы», - говорит Лео. В своей лаборатории он намерен более детально изучить защитные системы, характерные для архей. «Если мы будем продолжать искать защитные системы у архей через гомологи уже описанных у бактерий, мы их не найдем».
Базз Баум, клеточный биолог, изучающий археи, который не участвовал в исследовании, разделяет эту мысль. «В Асгардах может быть много вещей, о которых мы не знаем, что они делают, но которые на самом деле функционируют в [иммунном] контексте». Ему также не терпится узнать больше о том, как функционирует иммунная система архей. «В ближайшие годы будет замечательно увидеть, как клетки используют эти системы для самозащиты».
