Οι ανοσολογικοί αισθητήρες των βακτηρίων αποκαλύπτουν έναν νέο τρόπο ανίχνευσης ιών

«Όλες οι μορφές ζωής στη Γη έχουν το ίδιο πρόβλημα», δήλωσε ο Τζόναθαν Κάγκαν, ερευνητής ανοσολογίας στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης. «Και αυτό είναι η αντιμετώπιση της μόλυνσης». Όπως ανησυχούμε για τις βακτηριακές λοιμώξεις, τα βακτήρια παρακολουθούν τους ιούς που ονομάζονται φάγοι που τα μολύνουν και — όπως κάθε οργανισμός σε κάθε βασίλειο της ζωής — έχουν αναπτύξει ένα οπλοστάσιο μοριακών εργαλείων για την καταπολέμηση των λοιμώξεων.

Μεγάλα, πολύπλοκα πλάσματα όπως οι άνθρωποι μπορούν να ξεχυθούν σε τεράστια ανοσοποιητικά συστήματα εξειδικευμένων κυττάρων που ανιχνεύουν ή καταστρέφουν εισβολείς. Οι απλούστεροι οργανισμοί, όπως τα φυτά και τα βακτήρια, χρειάζεται συχνά να βασίζονται σε σειρές πρωτεϊνών πολλαπλών εργασιών που, όπως τα ελβετικά μαχαίρια, είναι εξοπλισμένα και για τις δύο εργασίες. Επειδή η άμυνα είναι μια παγκόσμια ανησυχία, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι πολλά από αυτά τα αμυντικά συστήματα έχουν διατηρηθεί μέσω της εξέλιξης και έχουν μοιραστεί μεταξύ διαφόρων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Αλλά μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε αυτό το μήνα στο Science ανακάλυψε ότι μια οικογένεια πρωτεϊνών σε βακτήρια και αρχαία, τα απλά προκαρυωτικά κύτταρα που είναι η αρχαιότερη μορφή ζωής, ανιχνεύει ιούς με τρόπο που δεν έχει ξαναδεί.

Ταιριάζει σαν γάντι

Λόγω της προόδου στον προσδιορισμό της αλληλουχίας των γονιδίων και στις βιοπληροφορικές τεχνικές, πολλές από τις αντιικές άμυνες που χρησιμοποιούν τα βακτήρια έχουν αρχίσει να εμφανίζονται μόνο τα τελευταία 50 χρόνια. Ωστόσο, το ενδιαφέρον γι' αυτά έχει αυξηθεί την τελευταία δεκαετία λόγω του ισχυρού εργαλείου γονιδιακής επεξεργασίας που αξιοποιεί το βακτηριακό σύστημα CRISPR-Cas9. Η επιτυχία του εργαλείου ώθησε τους ερευνητές να δώσουν μεγαλύτερη έμφαση στον τρόπο με τον οποίο τα βακτηριακά μόρια αναγνωρίζουν τους ιούς και τους εξαλείφουν.

Ορισμένες από αυτές τις αντιικές άμυνες, όπως το CRISPR-Cas9, αναγνωρίζουν συγκεκριμένες αλληλουχίες στο DNA που ένας φάγος εγχέει στον ξενιστή του. Άλλοι δεν αισθάνονται άμεσα θραύσματα του ιού, αλλά ανταποκρίνονται σε ενδείξεις της βλάβης που προκαλεί ο ιός, όπως κατεστραμμένο DNA ή δυσλειτουργικές κυτταρικές διεργασίες — τα μοριακά ισοδύναμα του σπασμένου γυαλιού στη σκηνή της διάρρηξης.

Αλλά οι βακτηριακοί ανοσολογικοί αισθητήρες που ονομάζονται πρωτεΐνες Avs δεν το κάνουν, όπως ανακάλυψαν τώρα οι ερευνητές με επικεφαλής τον Feng Zhang του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και τον Eugene Koonin του Εθνικού Κέντρου Πληροφοριών Βιοτεχνολογίας. Οι πρωτεΐνες Avs μπορούν να ανιχνεύσουν άμεσα τις πρωτεΐνες του ιού που παράγονται από τον μηχανισμό που έχει παραβιαστεί από το κύτταρο.

Η επιτήρηση πρωτεϊνών είναι μια επικίνδυνη στρατηγική για τα μικρόβια:Ακόμη και λίγες μεταλλάξεις μπορούν να καταστήσουν την αλληλουχία αμινοξέων μιας πρωτεΐνης μη αναγνωρίσιμη, επιτρέποντας σε ένα παθογόνο να διαφύγει από την ανίχνευση. Το προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα σε ανθρώπους και άλλα σπονδυλωτά μπορεί να κυνηγήσει τις πρωτεΐνες του ιού επειδή μπορούν να αναπτύξουν δισεκατομμύρια εξειδικευμένα κύτταρα για τη διεξαγωγή της αναζήτησης — μια επιλογή που δεν είναι ανοιχτή σε μεμονωμένα βακτήρια.

Ωστόσο, η ομάδα του Zhang διαπίστωσε ότι οι πρωτεΐνες Avs δεν ενοχλούνται από μικρές αλλαγές στις αλληλουχίες αμινοξέων - ή από μεγάλες, για αυτό το θέμα. «Δοκιμάσαμε 24 διαφορετικούς φάγους, που καλύπτουν εννέα οικογένειες φάγων», είπε ο Alex Gao, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, «και διαπιστώσαμε ότι υπήρχε σχεδόν αυτή η γενική ενεργοποίηση» του Avs.

Οι στοχευόμενες πρωτεΐνες στις διαφορετικές οικογένειες ιών είχαν σχεδόν εντελώς διαφορετικές αλληλουχίες αμινοξέων, αλλά όλες έκαναν την ίδια δουλειά:τυλίγοντας κλώνους ιικού DNA και συσσωρεύοντάς τους σε νεοσχηματισμένα σωματίδια ιού. Κατά συνέπεια, όλα διατήρησαν το ίδιο λειτουργικό σχήμα.

Οι πρωτεΐνες Avs εκμεταλλεύονται αυτή τη μοριακή ομοιότητα, συνειδητοποίησε η ομάδα. Οι πρωτεΐνες «αναγνώριζαν τρισδιάστατες πτυχές και σχήματα, αντί για αλληλουχίες», εξήγησε ο Γκάο. Μια πρωτεΐνη Avs «βασικά τυλίγεται σαν γάντι γύρω από ένα χέρι». Αυτός ο τύπος τρισδιάστατης δομικής αναγνώρισης «δεν έχει μεγάλο προηγούμενο, από όσο γνωρίζουμε, στη μοριακή βιολογία», πρόσθεσε.

Ο μόνος τρόπος για αυτές τις ιικές πρωτεΐνες να ξεφύγουν από την ανίχνευση του Avs θα ήταν να μεταλλαχθούν σε ένα μη αναγνωρίσιμο σχήμα. Αλλά "το να αλλάξεις το σχήμα χωρίς να αποσταθεροποιηθεί η πρωτεΐνη ή να διακυβευτεί με άλλο τρόπο η λειτουργία της στον φάγο δεν είναι ασήμαντο", είπε ο Koonin.

Οι ευέλικτες, περιμετρικές δεξιότητες αναγνώρισης των πρωτεϊνών Avs δεν περιορίζονται στον εντοπισμό ιών που μολύνουν βακτήρια. Ο Koonin θυμήθηκε ότι ρώτησε τον Gao ως αστείο εάν οι πρωτεΐνες Avs μπορούσαν να ανιχνεύσουν ζωικούς ιούς έρπητα - πολύ μακρινούς συγγενείς των φάγων που δοκιμάστηκαν στο έγγραφο. Προς έκπληξή του, ο Γκάο απάντησε:«Ναι, το έχουμε ήδη κάνει! Το κάνουν." Οι πρωτεΐνες Avs αναγνώρισαν τις πρωτεΐνες που συσκευάζουν το DNA στους ανθρώπινους ιούς έρπητα, αν και η αναγνώριση ήταν ασθενέστερη από ό,τι για τους βακτηριακούς φάγους.

«Είναι η πρώτη φορά που γνωρίζω ότι ένα στοιχείο που αναγνωρίζει τον εισβολέα μπορεί να αναγνωρίσει ιούς που μολύνουν τόσο μακρινούς οργανισμούς», δήλωσε ο Rotem Sorek, μικροβιακός γενετιστής στο Ινστιτούτο Επιστήμης Weizmann που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Όταν οι πρωτεΐνες Avs ανιχνεύουν ιικές πρωτεΐνες, μπορούν να χτυπήσουν τον ιό με διάφορους τρόπους - τουλάχιστον μερικοί από τους οποίους καταλήγουν σε βακτηριακή αυτοκαταστροφή. Η κυτταρική αυτοκτονία μπορεί να φαίνεται αδιανόητη ως άμυνα, αλλά τα βακτήρια συχνά ζουν σε αποικίες με ισχυρή γενετική ομοιότητα. Καταστρέφοντας τον εαυτό τους, τα μολυσμένα κύτταρα μπορούν να προστατεύσουν τους γείτονες που είναι ουσιαστικά τα δίδυμά τους, κάτι που «είναι απολύτως λογικό» ως μια εξελικτική στρατηγική, είπε ο Koonin.

Εκτός αυτού, όταν οι ιικές πρωτεΐνες γίνουν εμφανείς στην άμυνα του Avs σε ένα βακτήριο, ο ιός ήδη συγκεντρώνει αντίγραφα του εαυτού του και σύντομα θα εκραγεί από το μολυσμένο κύτταρο. Σε εκείνο το σημείο, είπε ο Σόρεκ, «ούτως ή άλλως δεν υπάρχει διαφυγή από τον θάνατο από τον φάγο».

Μικροσκοπικοί Δάσκαλοι

Στις μελέτες τους για άλλες ανοσοποιητικές άμυνες σε βακτήρια και αρχαία, οι ερευνητές έχουν αποκαλύψει εντυπωσιακούς παραλληλισμούς με αυτές στα πιο πολύπλοκα ευκαρυωτικά κύτταρα των ανθρώπων και άλλων οργανισμών. Μερικές από αυτές τις γενετικές ομοιότητες στη μορφή και τη λειτουργία είναι αρκετά κοντινές ώστε να υποδηλώνουν ότι εμείς οι ευκαρυώτες κληρονομήσαμε άμεσα κάποιες από τις άμυνές μας από τους προκαρυωτικούς προγόνους μας.

Το αν κληρονομήσαμε κάτι από τις πρωτεΐνες Avs μένει να το δούμε. Ενώ πολλοί ανθρώπινοι έμφυτοι ανοσολογικοί αισθητήρες αναγνωρίζουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες παθογόνων, κανείς δεν έχει βρει ακόμη κάτι σαν αναγνώριση σχήματος πρωτεΐνης να λειτουργεί στους έμφυτους ανοσιακούς αισθητήρες μας. Οι πρωτεΐνες Avs έχουν κάποιες ενδιαφέρουσες δομικές ομοιότητες με ορισμένα ευκαρυωτικά αμυντικά μόρια, αλλά η ομοιότητα μπορεί να είναι προϊόν συγκλίνουσας εξέλιξης και της δύναμης της αναγνώρισης προτύπων ως αμυντικής στρατηγικής. "Είναι πιθανό στη φύση να αρέσει πολύ να φτιάχνει αυτούς τους [ανοσιακούς αισθητήρες] επειδή λειτουργεί πολύ καλά", είπε ο Gao.

Δεδομένου του πόσο καλά λειτουργεί η αναγνώριση σχήματος πρωτεΐνης για τα βακτήρια και τα αρχαία, μπορεί να περιμένουμε ότι κάτι σαν πρωτεΐνες Avs θα εμφανιστεί τελικά στους ευκαρυώτες. Ο Κάγκαν πιστεύει ότι, αν μη τι άλλο, αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να προκαλέσει ενδιαφέρον για τη μελέτη των πρωτεϊνών ως στόχοι έμφυτων ανοσοαποκρίσεων.

Τα βακτήρια «δεν έχουν σταματήσει να μας διδάσκουν», είπε ο Kagan. "Μας δίδαξαν για την αντιγραφή του DNA, μας δίδαξαν για την επιδιόρθωση του DNA, μας δίδαξαν για την κυτταρική διαίρεση και τώρα μπορούν να μας διδάξουν για την ανοσία."