Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Июнь 2006   →
 1
 2
 3
 4
 5
05.06.2006
13:22:27
14:41:45
 6
06.06.2006
12:18:45
15:21:24
 7
 8
08.06.2006
15:13:22
20:44:45
 9
10
11
12
13
13.06.2006
11:57:38
17:03:59
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Раскрыта тайна иммунной системы насекомых


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Раскрыта тайна иммунной системы насекомых

27.06.2006

Иммунная система малярийного комара Anopheles gambiae гораздо более сложна и эффективна, чем принято считать (фото с сайта www.monkeytime.com)
Иммунная система малярийного комара Anopheles gambiae гораздо более сложна и эффективна, чем принято считать (фото с сайта www.monkeytime.com)

Способность в течение жизни вырабатывать иммунитет к новым инфекциям у позвоночных животных обеспечивается прижизненной перестройкой генов защитных белков — иммуноглобулинов и Т-клеточных рецепторов. Оказалось, что у насекомых тонкая подгонка набора защитных белков к конкретной инфекции тоже осуществляется путем перекомбинирования фрагментов генов, однако редактированию подвергаются не сами гены (молекулы ДНК), как в лимфоцитах позвоночных, а их копии — молекулы РНК.

Основная обязанность иммунной системы — безошибочно распознавать любую попавшую в организм заразу, в том числе и такую, с какой раньше никогда не приходилось встречаться. Для этого нужно иметь очень много разных белков, избирательно связывающихся с различными чужеродными веществами (антигенами). Позвоночные животные продуцируют сотни тысяч вариантов таких защитных белков (в том числе так называемых антител) — гораздо больше, чем генов в геноме. Высокое разнообразие защитных белков достигается благодаря прижизненным перестройкам генома в клетках иммунной системы — лимфоцитах.

В геноме «зародышевой линии», то есть в том геноме, который позвоночное животное получает от папы с мамой, нет генов антител как таковых, а есть наборы заготовок — несколько «кассет» похожих, но немного различающихся фрагментов будущего гена. В зреющем лимфоците специальные ферменты режут и перекраивают геномную ДНК, чтобы собрать из этих заготовок один функциональный ген, причем из каждой «кассеты», состоящей из десятков похожих фрагментов, случайным образом выбирается какой-то один. В разных лимфоцитах гены антител получаются разными, а общее число теоретически возможных вариантов у человека или мыши достигает трех миллионов. Подробнее об этом можно прочесть здесь. Приобретенный иммунитет формируется за счет того, что те лимфоциты, чьи антитела лучше других связываются с данным инфекционным агентом, усиленно размножают! ся, а гены их антител вдобавок еще и «подгоняются» к антигену за счет мутирования и дополнительного отбора.

Всего этого нет у беспозвоночных. Долгое время считалось, что беспозвоночным удается как-то обходиться одним лишь врожденным, неспецифическим иммунитетом и сравнительно небольшим числом иммунных белков — рецепторов, гены которых в «явном виде» присутствуют в геноме зародышевой линии и не подвергаются прижизненным перестройкам. Учитывая быструю эволюцию и вариабельность микроорганизмов, было довольно удивительно, каким образом беспозвоночные ухитряются при этом выжить.

Однако со временем открывалось всё больше фактов, показывающих, что у беспозвоночных тоже формируется приобретенный иммунитет и есть иммунная память. Вот только как им это удается без прижизненных перестроек генов иммунной защиты, оставалось неясным.

Иммунологи из Университета Джона Хопкинса (Балтимор, США) обратили внимание на один весьма необычный ген, имеющийся и у позвоночных, и у насекомых. Этот ген называется DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule); определенные его мутации у человека ассоциированы с синдромом Дауна. У насекомых он, как было известно, отвечает за регуляцию роста аксонов (длинных отростков нейронов). Ген этот принадлежит к надсемейству иммуноглобулинов, то есть содержит иммуноглобулиновые домены (определенные последовательности нуклеотидов, кодирующие участки белковой молекулы, предназначенные для избирательного связывания других молекул). Иммуноглобулиновые гены есть практически у всех животных. Они выполняют разнообразные рецепторные функции, далеко не всегда связанные с иммунной защитой. Например, рост аксонов направляется определенными химическими сигналами, которые тоже кто-то должен улавливать и распоз! навать.

Как и почти все гены высших организмов, ген DSCAM состоит из экзонов (кодирующих участков) и вставленных между ними некодирующих интронов. После того, как на матрице гена синтезируется его РНК-копия, интроны из нее вырезаются (этот процесс называется сплайсингом), и уже эта «зрелая матричная РНК» используется как инструкция для синтеза белка. Из одной и той же незрелой РНК иногда может быть сконструировано несколько вариантов зрелой РНК (например, за счет перекомбинирования или выборочного удаления отдельных экзонов). Это явление называется «альтернативным сплайсингом». Благодаря ему один и тот же ген может кодировать несколько разных белков.

Строение гена DSCAM малярийного комара. Вертикальными отрезками показаны экзоны. Иммуноглобулиновые экзоны 4, 6 и 10 представлены кассетами из 14, 30 и 38 альтернативных вариантов. Зрелая РНК после сплайсинга будет содержать лишь по одному варианту каждого из этих трех экзонов. Рис. из статьи в PLoS Biology
Строение гена DSCAM малярийного комара. Вертикальными отрезками показаны экзоны. Иммуноглобулиновые экзоны 4, 6 и 10 представлены кассетами из 14, 30 и 38 альтернативных вариантов. Зрелая РНК после сплайсинга будет содержать лишь по одному варианту каждого из этих трех экзонов. Рис. из статьи в PLoS Biology

Уникальной особенностью гена DSCAM, содержащего 21 экзон, является то, что три из них представлены не в единственном экземпляре, а в виде целых кассет из множества немного различающихся копий: экзон №4 представлен в 14 экземплярах, экзон №6 — в 30, экзон №10 — в 38. В ходе сплайсинга сохраняется только один вариант каждого из этих экзонов. Таким образом, за счет альтернативного сплайсинга на основе единственного гена DSCAM может быть синтезировано 14 × 30 × 38 = 15960 разных рецепторных белков.

Мысль об участии гена DSCAM у насекомых не только в нейрогенезе, но и в иммунной защите, по правде сказать, напрашивалась давно, но доказать это удалось только сейчас. Ученые выбрали в качестве объекта исследования малярийного комара Anopheles gambiae (его геном был недавно полностью прочтен), а также культуру «гемоцитоподобных иммунокомпетентных клеток» (то есть клеток иммунной системы) этого комара. Результаты, полученные на целых живых комарах и в культуре клеток почти полностью совпали.

Оказалось, что в присутствии разных бактерий иммунные клетки производят разные наборы сплайс-вариантов белка DSCAM. Например, в ответ на заражение кишечной палочкой резко увеличивается частота использования 8-го варианта 4-го экзона, тогда как стафилококк стимулирует синтез белков DSCAM с использованием 1-го варианта того же экзона.

Искусственное «выключение» гена DSCAM приводит к резкому снижению способности комара сопротивляться инфекциям; кроме того, в его гемолимфе (аналог крови у насекомых) начинают бурно размножаться бактерии, в норме присутствующие там в небольших количествах. Это доказывает непосредственное участие DSCAM в иммунной защите.

Молекулярные биологи сегодня умеют «отключать» не только весь ген целиком, но и выборочно отдельные сплайс-варианты. Для этого в клетки вводят искусственно синтезированные короткие молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, комплементарной определенному экзону. Эти фрагменты слипаются со зрелыми РНК, содержащими данный экзон, что препятствует синтезу белка. Таким образом было показано, что отключение тех сплайс-вариантов, которые синтезируются в присутствии кишечной палочки, лишает комара способности бороться именно с кишечной палочкой, но не со стафилококком, и наоборот.

Ученым также удалось показать, что сплайс-варианты DSCAM, синтезируемые в ответ на заражение той или иной бактерией, лучше других «прилипают» именно к этой бактерии.

Изменения в спектре синтезируемых сплайс-вариантов DSCAM, спровоцированные контактом с бактериями, сохраняются в течение как минимум 18 часов после того, как контакт прекратился (что происходит потом, ученые просто не проверяли). Это отчасти объясняет наблюдаемую у насекомых «иммунную память».

Таким образом, различные сплайс-варианты белка DSCAM до некоторой степени аналогичны антителам позвоночных (хотя антитела значительно более избирательны и эффективны). Образование разнообразных сплайс-вариантов DSCAM осуществляется на основе того же комбинаторного принципа, что и образование антител у позвоночных. В обоих случаях используется случайный выбор и комбинирование отдельных фрагментов гена, каждый из которых представлен в геноме в виде нескольких альтернативных вариантов. Только у позвоночных это «перекраивание» генетической информации осуществляется на уровне ДНК, а у насекомых — на уровне РНК.

Данное исследование, на мой взгляд, представляет собой очень крупный прорыв не только в изучении иммунной системы беспозвоночных, но и в понимании общих принципов иммунитета в целом. Можно ожидать, что дальнейшие исследования приведут к открытию новых черт сходства между иммунными системами далеких друг от друга групп организмов.

За рамками исследования осталось множество важных вопросов. Например, осталось неясным, каким образом осуществляется регуляция сплайсинга. Откуда комар «знает», какие варианты белка DSCAM нужно синтезировать для борьбы с кишечной палочкой, а какие — для защиты от стафилококка? Теоретически здесь возможны два варианта:

1) Регуляция без использования обратной связи (какие-то рецепторы распознают класс антигена и дают сигнал синтезировать такой-то набор сплайс-вариантов; в этом случае все ответы известны заранее, они напрямую «записаны» где-то в геноме и являются полностью врожденными);

2) Регуляция методом проб и ошибок с использованием обратной связи (синтезируются разные варианты белка, которые затем тестируются на эффективность связывания с антигеном; синтез «удачных» вариантов продолжается, «неудачных» — прекращается; в этом случае можно говорить о настоящем приобретенном иммунитете).

Авторы статьи размышляют только над первым вариантом, но второй — более похожий на то, что происходит у позвоночных, и гораздо более гибкий и эффективный — тоже пока не исключен.

Источник: Yuemei Dong, Harry E. Taylor, George Dimopoulos. AgDscam, a Hypervariable Immunoglobulin Domain-Containing Receptor of the Anopheles gambiae Innate Immune System // PLoS Biology. 2006. V. 4. Issue 7.

См. также:
Гонококки обманывают иммунную систему, внося контролируемые изменения в свой геном («Элементы», 31.05.2006).

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 
Конкурс ответов на детские вопросы. Участвовать могут все. Главный приз — цифровой фотоаппарат.

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Предыдущие новости

27.06 Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн

Детекторы гравитационных волн нуждаются в серьезном апгрейде, и для этого потребуется решить ряд нетривиальных технических задач. С одной из этих проблем справились недавно американские и австралийские физики.

27.06 В Испании найдена древнейшая ископаемая паутина с прилипшими насекомыми

Уникальная находка испанских и американских палеонтологов показала, что пауки научились плести спиральные, вертикально ориентированные ловчие сети из клейких нитей не менее 110 млн лет назад. Именно в это время быстрая экспансия цветковых растений спровоцировала массовое развитие насекомых.

26.06 Заключая «пакт о сотрудничестве», рыбы заранее просчитывают ситуацию

Вступая во взаимовыгодное сотрудничество, представители разных видов сначала стараются убедиться в надежности будущего партнера: наблюдают за ним и сравнивают его с другими кандидатами. Это подтверждают эксперименты с рыбами, обитающими около Большого Барьерного рифа, — мелким чистильщиком и его гораздо более крупным «клиентом».

26.06 Три продырявленные ракушки заставляют по-новому взглянуть на зарождение человеческой культуры

Возраст продырявленных раковин морских улиток (по-видимому, остатков древнейших ожерелий), обнаруженных на среднепалеолитических стоянках в Северной Африке и Западной Азии, составляет 100–130 тысяч лет. Это отодвигает начало зарождения подлинно человеческой духовной культуры в прошлое на несколько десятков тысяч лет.

20.06 Холодные нейтронные лучи прощупывают предметы, не внося никаких возмущений

Швейцарские физики добились прорыва в применении нейтронной томографии к изучению веществ. Изображения тел в нейтронных лучах вскрывают ядерные свойства веществ вне зависимости от химического окружения.

19.06 О смене дня и ночи гусеницы узнают по запаху

Как выяснили японские ученые, гусеницы бабочек-совок, предпочитающие питаться ночью, а днем держаться в укрытиях, узнают о времени суток по запаху растения, на котором кормятся. Дело в том, что днем растение выделяет вещества, привлекающие паразитических перепончатокрылых: они откладывают яйца внутрь гусениц и вызывают тем самым их гибель.

15.06 Чтобы свести баланс азота, надо правильно посчитать фитопланктон

Цианобактерии связывают в 2-3 раза больше атмосферного азота, чем считалось ранее. К такому выводу пришли сотрудники Океанографического института в Вудс-Хоуле, применив принципиально новый подход к оценке численности фитопланктона. Вместо планктонных сетей они спустили под воду микроскоп, снабженный видеокамерой, и протащили его на буксире через всю Атлантику.

14.06 У болези Паркинсона и старения общие причины

Две независимых группы генетиков убедительно доказали, что одной из причин старения и болезни Паркинсона являются дефектные митохондрии, быстро размножающиеся в нейронах головного мозга и приводящие к их дегенерации. Дефектными они становятся в результате соматической мутации — удаления участка митохондриальной ДНК.

13.06 Жидкости способны полностью изолироваться от несмачиваемых поверхностей

Компьютерное моделирование показало, что жидкость вблизи гидрофобной стенки изолирует себя от контакта с ней с помощью «газовой оболочки». При течении по гидрофобным трубам возникает новое гидродинамическое явление — проскальзывание жидкости.
В избранное