"Kõigil eluvormidel Maal on sama probleem," ütles Jonathan Kagan, Bostoni lastehaigla immunoloogiateadur. "Ja see on nakkusega tegelemine." Nii nagu me muretseme bakteriaalsete infektsioonide pärast, jälgivad bakterid neid nakatavaid viiruseid, mida nimetatakse faagideks, ja – nagu iga organism igas eluriigis – on nad välja töötanud molekulaarsete vahendite arsenali infektsioonide vastu võitlemiseks.
Suured ja keerulised olendid, nagu inimesed, võivad tungida spetsiaalsete rakkude tohutule immuunsüsteemile, mis tuvastab või hävitab sissetungijad. Lihtsamad organismid, nagu taimed ja bakterid, peavad sageli tuginema multitegumtöötlevate valkude komplektidele, mis, nagu Šveitsi armee noad, on varustatud mõlema töö jaoks. Kuna kaitse on nii universaalne probleem, pole üllatav, et paljud neist kaitsesüsteemidest on evolutsiooni käigus säilinud ja jagatud erinevate organismide, sealhulgas inimeste vahel.
Kuid uus uuring avaldati sel kuul aastal teadus avastas, et bakterite ja arhea valkude perekond, lihtsad prokarüootsed rakud, mis on vanim eluvorm, tuvastavad viiruseid seninägematul viisil.
Sobib nagu kinnas
Geenijärjestuse ja bioinformaatiliste tehnikate edusammude tõttu on paljud bakterite kasutatavad viirusevastased kaitsemehhanismid hakanud nähtavale tulema alles viimase 50 aasta jooksul. Kuid huvi nende vastu on viimasel kümnendil suurenenud tänu võimsale geeniredigeerimisvahendile, mis kasutab bakteriaalset CRISPR-Cas9 süsteemi. Tööriista edu on ajendanud teadlasi pöörama rohkem tähelepanu sellele, kuidas bakterimolekulid viiruseid ära tunnevad ja need kõrvaldavad.
Mõned neist viirusevastastest kaitsemehhanismidest, nagu CRISPR-Cas9, tunnevad ära spetsiifilised järjestused DNA-s, mille faag oma peremeesorganismi süstib. Teised ei tunneta otseselt viiruse fragmente, kuid reageerivad tõenditele viiruse põhjustatud kahju kohta, nagu kahjustatud DNA või rakuprotsesside talitlushäired – sissemurdmiskohal purunenud klaasi molekulaarsed ekvivalendid.
Kuid bakteriaalsed immuunsensorid, mida nimetatakse Avs-valgudeks, ei tee kumbagi, nagu teadlased juhtisid Feng-Zhang Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi ja Jevgeni Koonin Riikliku Biotehnoloogia Teabekeskuse esindajad on nüüd avastanud. Avs-valgud suudavad otseselt tuvastada raku kaaperdatud masinate poolt toodetud viirusvalke.
Valgu jälgimine on mikroobide jaoks riskantne strateegia: isegi mõned mutatsioonid võivad muuta valgu aminohappejärjestuse tundmatuks, võimaldades patogeenil avastada. Inimeste ja teiste selgroogsete kohanemisvõimelised immuunsüsteemid võivad viirusvalke taga ajada, sest nad saavad otsingu läbiviimiseks kasutada miljardeid spetsiaalseid rakke – see valik pole üksikutele bakteritele avatud.
Kuid Zhangi rühm leidis, et Avs-valke ei häiri väikesed muutused aminohappejärjestustes - ega ka suured muutused. "Testisime 24 erinevat faagi, mis hõlmasid üheksat faagi perekonda," ütles Alex Gao, Stanfordi ülikooli biokeemik ja paberi juhtiv autor, „ja leidis, et Avs.
Erinevate viirusperekondade sihitud valkudel oli peaaegu täiesti erinevad aminohappejärjestused, kuid nad kõik täitsid sama tööd: kerisid kokku viiruse DNA ahelad ja pakkisid need äsja moodustunud viirusosakestesse. Järelikult säilitasid nad kõik sama funktsionaalse kuju.
Avs-valgud kasutavad seda molekulaarset sarnasust ära, mõistis meeskond. Valgud "tundsid ära kolmemõõtmelised voldid ja kujundid, mitte järjestused," selgitas Gao. Avsi valk "mähib põhimõtteliselt nagu kinnas ümber käe". Seda tüüpi 3D-struktuurituvastusel "meie teada pole molekulaarbioloogias palju pretsedenti," lisas ta.
Ainus viis, kuidas need viirusvalgud Avs-i tuvastamisest pääseksid, oleks muteeruda tundmatusse kujusse. Kuid "kuju muutmine ilma valku destabiliseerimata või muul viisil selle funktsiooni faagis kahjustamata ei ole triviaalne," ütles Koonin.
Avs-valkude mitmekülgsed ja kõikehõlmavad äratundmisoskused ei piirdu ainult baktereid nakatavate viiruste tuvastamisega. Koonin meenutas, et küsis Gaolt naljana, kas Avsi valgud suudavad tuvastada loomade herpesviirusi - paberis testitud faagide väga kaugeid sugulasi. Tema üllatuseks vastas Gao: „Jah, me oleme seda juba teinud! Nad teevad." Avs-valgud tundsid inimese herpesviirustes ära DNA-d pakkivad valgud, kuigi äratundmine oli nõrgem kui bakterifaagide puhul.
"See on esimene kord, kui ma tean, et sissetungijaid ära tundev element suudab tuvastada viirusi, mis nakatavad nii kaugeid organisme," ütles ta. Rotem Sorek, Weizmanni teadusinstituudi mikroobigeneetik, kes ei osalenud uuringus.
Kui Avs-valgud tuvastavad viirusvalke, võivad nad viirusele lüüa mitmel erineval viisil – vähemalt mõned neist lõppevad bakterite enesehävitusega. Rakuline enesetapp võib tunduda kaitsevahendina ebaintuitiivne, kuid bakterid elavad sageli kolooniates, millel on tugev geneetiline sarnasus. Ennast hävitades saavad nakatunud rakud kaitsta naabreid, kes on sisuliselt nende kaksikud, mis on evolutsioonilise strateegiana täiesti loogiline, ütles Koonin.
Pealegi, selleks ajaks, kui viirusvalgud saavad bakteris Avs-i kaitsesüsteemile ilmseks, kogub viirus juba endast koopiaid ja puhkeb peagi nakatunud rakust välja. Sel hetkel ütles Sorek, et "faagi poolt surma eest pole igal juhul pääsu."
Väikesed õpetajad
Uurides teisi bakterite ja arheide immuunkaitset, on teadlased avastanud silmatorkavaid paralleele inimeste ja teiste organismide keerukamate eukarüootsete rakkudega. Mõned neist geneetilistest sarnasused vormis ja funktsioonis on piisavalt lähedal, et oletada, et meie, eukarüootid, pärisime osa meie kaitsemehhanismidest otse oma prokarüootsetelt esivanematelt.
Kas me pärisime midagi Avs-i valkudest, tuleb veel näha. Kuigi vähesed inimese kaasasündinud immuunsensorid tunnevad ära spetsiifilisi patogeenivalke, pole keegi veel leidnud, et meie kaasasündinud immuunandurites toimiks valgukuju tuvastamise sarnane. Avs-valkudel on mõned intrigeerivad struktuurilised sarnasused teatud eukarüootsete kaitsemolekulidega, kuid sarnasus võib olla konvergentse evolutsiooni tulemus ja mustrituvastuse kui kaitsestrateegia võimsus. "Võimalik, et loodusele lihtsalt meeldib neid [immuunandureid] teha, sest see töötab väga hästi," ütles Gao.
Arvestades, kui hästi toimib valgukuju tuvastamine bakterite ja arheate puhul, võime eeldada, et eukarüootides ilmub lõpuks midagi sellist nagu Avs-valgud. Kagan arvab, et kui mitte midagi muud, võib see avastus tekitada huvi valkude kui kaasasündinud immuunvastuse sihtmärkide uurimise vastu.
Bakterid "ei ole lakanud meid õpetamast," ütles Kagan. "Nad õpetasid meile DNA replikatsiooni, nad õpetasid meile DNA parandamist, nad õpetasid meile rakkude jagunemist ja nüüd saavad nad meile õpetada immuunsust."
