Иммунная система человека, это чудо сложности, тонкости и изощренности, включает в себя семейство белков возрастом в миллиард лет, используемых бактериями для защиты от вирусов, как обнаружили ученые из Института рака Дана-Фарбер и в Израиле.
Выводы, опубликованные сегодня в онлайн-журнале Science , являются последними в растущем количестве свидетельств того, что компоненты нашей иммунной системы — такой передовой щит от болезней, какой существует на планете — эволюционировали на ранних стадиях древних форм жизни. Исследование показывает, что иммунная система поглощала уже существующие элементы и на протяжении эпох эволюции использовала их новыми способами для удовлетворения потребностей таких биологически сложных существ, как человек.
«Исследователи по всему миру проделали огромную работу, чтобы понять, как функционирует иммунная система человека», — говорит старший автор исследования Филип Кранзуш, доктор философии, из Dana-Farber. «Открытие того, что ключевые части человеческого иммунитета являются общими для бактерий, дает новый план для исследований в этой области».
Белки, находящиеся в центре исследования, известны как гасдермины. Когда клетка заражается или становится раковой, гасдермины образуют поры, которые пробивают отверстия в ее мембране, вызывая ее гибель. Вещества, известные как воспалительные цитокины, вытекают из отверстий, сигнализируя о наличии инфекции или рака и побуждая иммунную систему объединяться для защиты организма.
Этот процесс, называемый пироптозом, является одним из аспектов репертуара иммунной системы по уничтожению больных или инфицированных клеток. Он дополняет более известный процесс апоптоза, при котором поврежденные или инфицированные клетки самоуничтожаются после повреждения. «Пироптоз представляет собой один из самых быстрых способов, с помощью которых врожденная иммунная система [первая линия защиты организма от патогенов] реагирует на потенциальные угрозы», — говорит соавтор нового исследования Алекс Джонсон, доктор философии, из Dana-Farber. .
Геном человека содержит код шести белков гасдермина, которые экспрессируются на разных уровнях в разных типах клеток. Для текущего исследования Джонсон и его коллеги изучили, существовали ли предки любого из этих белков в бактериях.
У них были веские основания думать, что они могут. В 2019 году Кранцуш и его коллеги обнаружили, что иммунный сигнальный путь человека под названием cGAS-STING, который обнаруживает аномалии, связанные с раком и инфекцией, возник у бактерий. «Это и другие открытия побудили нас искать дополнительные связи между иммунными белками в клетках человека и бактерий », — отмечает Кранцуш.
Соавтор Танита Вейн, доктор философии, соавтор Ротем Сорек, доктор философии, и его коллеги из Научного института Вейцмана в Израиле проанализировали фрагменты бактериальной ДНК, известные как «острова антифаговой защиты», потому что они содержат кластеры генов, которые защищают бактерии от заражения вирусами, известными как фаги. Они идентифицировали 50 бактериальных генов, которые, по прогнозам, дадут начало белкам, структура которых аналогична структуре белков гасдермина у млекопитающих.
«Я определил ряд структур этих белков с помощью рентгеновской кристаллографии, которая подтвердила в атомарных деталях их архитектурное сходство с гасдерминами млекопитающих», — рассказывает Джонсон. Типы бактерий, которые содержат эти белки, широко распространены и живут в почве, листьях и других естественных средах обитания. (Конкретная бактерия, наиболее изученная в исследованиях Джонсона, была впервые идентифицирована на растении кукурузы в Висконсине.)
Структурная работа Джонсона показала, что, хотя газовые дермины человека и бактерий структурно схожи, бактериальные версии, как правило, примерно в два раза меньше, но при этом служат строительными блоками для мембранных пор, более крупных, чем у людей. Все эти газодермины активируются по сходному механизму, но цепь событий, которые они запускают, гораздо шире в клетках человека. В бактериальных клетках вирусная инфекция может вызвать гибель клеток из-за проколотых мембран, останавливая вирусы на их пути. В клетках человека гибель инфицированной клетки запускает каскад событий, которые заставляют другие элементы иммунной системы воздействовать на инфекцию.
