21.08.2014

Иммунитет 500 миллионов лет назад

Активация одного-единственного гена у крыс отбрасывает эволюцию иммунной системы на 500 миллионов лет назад. Таковы результаты работы группы ученых из Института иммунологии и эпигенетики Общества Макса Планка (Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics), опубликованной в журнале Cell Reports.

Своя иммунная система есть даже у бактерий – им надо защищаться от поражающих их вирусов – бактериофагов. Но у бактерий она фактически ограничивается способностью уничтожать чужеродную ДНК. В дальнейшем в ходе эволюции живые существа приобретали все новые и новые, каждый раз более совершенные и разнообразные методы защиты от болезней. Но возбудители тоже не дремали и учились обманывать иммунную систему своих жертв. Эта гонка вооружений – неотъемлемая часть эволюции и зачастую ее движущая сила.

В работе рассматривается влияние белка FOXN4 на развитие и функционирование тимуса (вилочковой железы). В тимусе у млекопитающих происходит созревание и обучение T-клеток. Т-клетки (несколько упрощая) – это те клетки иммунной системы, которые участвуют в приобретенном иммунном ответе, но не участвуют непосредственно в выработке антител. Но тимус есть не только у млекопитающих, но и практически у всех позвоночных. У рыб, однако, в нем происходит созревание и некоторой части B-лимфоцитов – клеток иммунной системы, продуцирующей антитела. У взрослых млекопитающих B-лимфоциты созревают только в костном мозге, а у эмбрионов млекопитающих – еще и в печени. Непосредственно с созревающими лимфоцитами в тимусе взаимодействуют эпителиальные клетки тимуса, они довольно разнообразны по структуре и функциям. Развитием и дифференцировкой этих клеток у млекопитающих управляет транскрипционный фактор FOXN1. Это белок, который взаимодействует с геномной ДНК и определяет, какие гены включать и насколько, а какие выключить. Ген Foxn1, кодирующий белок FOXN1 произошел в ходе эволюции от гена Foxn4. Белки FOXN1 и FOXN4 очень похожи друг на друга, заметно отличаются только их части, непосредственно взаимодействующие с ДНК.

Весьма вероятно, что ген Foxn1 возник из гена Foxn4 в результате дупликации. Дупликация генов – довольно распространенное событие в ходе эволюции. Из-за неопасных неточностей при кроссинговере какой-нибудь участок (иногда один ген) оказывается удвоен. Иногда после этого один из генов-близнецов начинает гораздо быстрее накапливать мутации, потому что второй продолжает выполнять старые функции и организму в целом ничего не грозит, и тогда первый может приобрести новые неожиданные функции или начать выполнять исходные функции лучше предыдущего варианта. Иногда новые гены делят между собой функции одного старого.

Гены Foxn1 и Foxn4 за время эволюции также приобрели и другие, не связанные с иммунитетом функции. Если у рыбы выключить Foxn4, то у эмбриона не происходит правильного развития сердца, и он погибает. У млекопитающих Foxn1 активен в волосяной луковице и нужен для кератинизации волос.

Ген Foxn4 активен у предков млекопитающих наряду с Foxn1, а у самых ранних позвоночных ген Foxn1 вообще еще отсутствует. У хордовых – предшественников позвоночных – тимуса еще нет, а вот ген Foxn4 уже есть. У ланцетника на эмбриональной стадии развития ген Foxn4 активен в будущих клетках глотки, именно в этом месте потом будет образовываться тимус. Это позволяет предположить, что этот ген в значительной степени управляет организацией и развитием тимуса.

В ходе эксперимента мышам ввели генетическую конструкцию, в которой под контролем элементов, контролирующих работу гена Foxn1, находился ген Foxn4. Оказалось, что активация гена Foxn4 приводит к появлению заметного процента B-лимфоцитов в тимусе и позволяет предположить, что у видов, у которых еще не было Foxn1, созревание лимфоцитов обоих типов происходило в тимусе. Возможно, что это позволило в большей степени диверсифицировать функции B-лимфоцитов, а это было очень важно для развития системы приобретенного иммунитета. Сначала связанные с клеточной мембраной, а затем секретируемые антитела появились у позвоночных хрящевых рыб. Есть версия, что до тех пор B-лимфоциты занимались фагоцитозом – поглощением и перевариванием патогенов, которым сейчас у млекопитающих занимаются макрофаги – клетки системы врожденного иммунитета.

На иллюстрации слева вы видите нормальное состояние тимуса крысы, где очень мало B-лимфоцитов (окрашены красным), а справа - тимус с активированным геном Foxn4 и большим количеством B-лимфоцитов.

Александра Брутер

Источники:

1. polit.ru