Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


К. Каренина, А. Гилёв
Зачем степи артезианы?


Н. Резник
Густой волос и низкий голос


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


М. Борисов
Хеопс на подошве Имхотепа и сад камней


С. Дробышевский
«Европейский папуас», или «Человек мира»: мужчина с Маркиной горы


М. Москалева
Студенты МГУ против лженауки


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан







Главная / Новости науки версия для печати

Бактерии наследуют приобретенный иммунитет


Бактерии защищаются от вирусов, стараясь опознать паразитов еще до того, как те внедрят свою ДНК в клетку. Но если заражение всё же произошло, бактерии используют другой тип защиты; он обеспечивается присутствием в клетке особого локуса CRISPR. Фото с сайта www.hybridmedicalanimation.com
Бактерии защищаются от вирусов, стараясь опознать паразитов еще до того, как те внедрят свою ДНК в клетку. Но если заражение всё же произошло, бактерии используют другой тип защиты; он обеспечивается присутствием в клетке особого локуса CRISPR. Фото с сайта www.hybridmedicalanimation.com

В последние годы биологи активно исследуют недавно открытый особый тип иммунитета у бактерий и архей. Иммунный ответ обеспечивают специальные РНК, гены которых располагаются в особых локусах, получивших название CRISPR. Эти РНК распознают чужеродную ДНК и помогают ее уничтожить. Замечательно, что при внедрении нового вируса формируются новые соответствующие гены в системе CRISPR у зараженной бактерии, и родительская клетка передает приобретенный иммунитет по наследству. В системе CRISPR также имеется встроенный механизм защиты собственной ДНК от аутоиммунного разрушения.

Иммунитет помогает всем живым существам справляться с внедрением чужеродных агентов, в том числе и паразитов. Иммунная система — это сложный биохимический аппарат; у высших животных он нацелен на быстрое распознавание паразита и усиленное производство антител, которые помогают его обезвредить. Важнейшее звено иммунной машины позвоночных — выработка нужных, специфических, антител — является остроумным изобретением природы: из миллионов имеющихся лимфоцитов выбирается один или несколько таких, у которых поверхностные белки оказываются комплементарными антигену внедрившегося паразита. Образование комплекса антиген–антитело вызывает усиленное размножение именного этого типа лимфоцитов, что и обеспечивает быструю иммунную реакцию.

Источником замечательного разнообразия лимфоцитов служат неисчислимые комбинации нескольких коротких отрезков нуклеотидных последовательностей, из которых в созревающем лимфоците собираются гены антител. Таким образом, клетке не обязательно хранить отдельные гены для каждого антитела, можно хранить набор заготовок, а затем, по мере надобности, подбирать нужную комбинацию заготовок. Родители передают потомкам именно наборы заготовок. Поэтому приобретенный за жизнь иммунитет не может наследоваться, наследуется только возможность его приобрести. Так обстоят дела у позвоночных животных.

У беспозвоночных животных и растений иммунитет преимущественно врожденный (см. Иммунитет растений), а если и есть элементы приобретенного иммунитета, то развивающиеся в течение жизни организма защитные средства не передаются от родителей к потомкам — наследуется только способность их вырабатывать. А вот бактерии и археи, как выяснилось в исследованиях последних лет, способны передавать приобретенный иммунитет по наследству, демонстрируя тем самым один из редких случаев настоящего «ламарковского» наследования (см. Наследование приобретенных признаков).

В 2002 году началось планомерное изучение особых участков (локусов) бактериального генома, которые представляют собой расположенные группами короткие палиндромные повторы (CRISPR, clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Эти локусы найдены у 90% архей и 40% бактерий.

Локусы CRISPR состоят из нескольких несоприкасающихся палиндромных повторов, между которыми имеются промежутки — спейсеры. Спейсер представляет собой короткий участок вирусной или плазмидной ДНК. Размер CRISPR-повтора исчисляется 23–47 нуклеотидными парами, а спейсеров — от 21 до 72 нуклеотидных пар. Число групп «повтор/спейсер» может достигать 375, но обычно меньше 50. В бактериальном геноме может быть не один, а несколько локусов CRISPR.

В непосредственной близости от CRISPR расположены гены специальных белков, называемых Cas (CRISPR associated). Обычно Cas — это нуклеазы, полимеразы, нуклеотид-связывающие белки; всего эта группа объединяет около 40 семейств белков.

Повторы CRISPR-последовательностей очень консервативны в пределах каждого вида микробов, но сильно различаются от вида к виду.

Схема двух локусов Streptococcus thermophilus, содержащих CRISPR и ассоциированные гены cas. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Схема двух локусов Streptococcus thermophilus, содержащих CRISPR и ассоциированные гены cas. Серым цветом показаны cas-гены, черным — CRISPR-последовательности. Под черными прямоугольниками вынесена подробная структура CRISPR. Черные ромбики — это палиндромные повторы, а белые маленькие прямоугольники — спейсеры, представляющие собой участки плазмидной или вирусной ДНК. Буквами внизу обозначены нуклеотидные последовательности палиндромных последовательностей, а петлеобразная структура справа изображает вторичную структуру РНК палиндромного повтора. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

В 2007 году было экспериментально показано, что бактерия Streptococcus thermophilus в ходе борьбы с вирусами-бактериофагами изменяет последовательность CRISPR, достраивая к концу старой последовательности еще одну или несколько единиц «повтор/спейсер». Добавленные спейсеры были аналогичны участкам вирусного генома. При этом бактерии приобретали устойчивость к данному вирусу. Если изменить последовательность нуклеотидов добавленного спейсера или вообще вырезать спейсер, то приобретенная устойчивость к фагу теряется.

В последующие два года ученые доказали, что локусы CRISPR эволюционируют в ответ на вирусную активность, так что состав и порядок расположения спейсеров указывает на историю различных вирусных атак. Итак, взаимодействие с вирусами и чужеродными плазмидами приводит к появлению иммунитета, который сохраняется в ряде поколений данного штамма. Ученые предположили, каким может быть механизм приобретения и наследования иммунитета.

Во-первых, в формировании иммунитета участвуют Сas-белки. Инактивация cas-генов ведет к снижению или потере способности интегрировать в качестве спейсеров вирусную или плазмидную ДНК. Если в клетку проникает чужеродная ДНК, то Сas-белки перво-наперво распознают ее. Потом они же вырезают участок чужеродной ДНК и достраивают в локус CRISPR новую рабочую единицу «повтор/спейсер». Обновленная бактериальная ДНК в дальнейшем нормально дуплицируется и передается по наследству потомкам данной бактерии. При транскрипции CRISPR формируется цепочка РНК (CRISPR-РНК, или crРНК), которая затем нарезается на короткие кусочки, состоящие из двух половинок палиндромного повтора и заключенного между ними спейсера. Эту нарезку также осуществляют Сas-белки.

В результате получается внушительный набор коротких crРНК с различными вирусными спейсерами. Среди них и тот, который был счастливо приобретен при недавнем инфицировании. crРНК объединяются с некоторыми Сas-белками. Если в такую клетку снова попадает этот вирус, то РНК, несущая соответствующий спейсер, узнает комплементарный участок вирусной ДНК, а Сas-белки обеспечивают инактивацию и избавление от паразитической ДНК. Само собой разумеется, что узнавание чужеродной ДНК при помощи crРНК осуществляется гораздо эффективнее и быстрее, чем исходное распознавание, с которого началось формирование иммунитета.

Можно себе представить, что при частых атаках определенного вируса соответствующая рабочая единица «повтор/спейсер» будет поддерживаться в рабочем состоянии в ряде поколений (мутации, повреждающие ее, будут отсеиваться отбором). Если же паразит оказался редким или экзотическим, то соответствующая единица «повтор/спейсер» быстро накопит мутации, перестанет работать или исчезнет вовсе. Так что CRISPR-иммунитет — это самонастраивающаяся система. Взаимодействие между бактериями и вирусами заставляет их геномы эволюционировать чрезвычайно быстро.

Совсем недавно американские ученые из Северо-Западного университета (Эванстон, Иллинойс) открыли, как бактериям удается избежать аутоиммунной реакции при функционировании crРНК. Гипотетически crРНК должны бы распознать участок «родного» локуса CRISPR в бактериальной хромосоме и деактивировать его. Но ведь этого не происходит. Оказалось, что в распознавании чужеродных ДНК участвуют не только спейсеры, но и ограничивающие спейсер фрагменты палиндромных повторов. Если при спаривании crРНК с ДНК комплементарным оказывается не только спейсер, но и окружающие его нуклеотиды, то crРНК узнает «родную» ДНК, и иммунная атака не происходит. Если же спаривается только спейсер crРНК, то это означает чужеродную цепочку, и тогда белки Cas избавляются от паразитической ДНК.

Источники:
1) Philippe Horvath, Rodolphe Barrangou. CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea // Science. 2010. V. 327. P. 167–170. DOI: 10.1126/science.1179555.
2) Luciano A. Marraffini, Erik J. Sontheimer. Self versus non-self discrimination during CRISPR RNA-directed immunity // Nature. 13 January 2010. Doi: 10.1038/nature08703.

Елена Наймарк


Комментарии (4)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияЕлена Наймарк

26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
12.05
Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
10.05
ГМО будут совершенствоваться при помощи искусственной эволюции
3.05
Создан семантический атлас человеческого мозга
28.04
Малыши гигантских динозавров росли очень быстро
25.04
Расшифрованы генетические основы быстрых эволюционных изменений размера клюва у дарвиновых вьюрков
20.04
Расшифровка древней ДНК рассказала о происхождении южноамериканских индейцев


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия