Таким образом, для «ножниц» существует много названий. Как они появились? Обычно разрезание носит не специфический характер, а РНКазы Н надо направить на специфические участки, где с высокой точностью происходит расщепление. Они почти похожи на настоящие ножницы, поскольку расщепляют реально существующие химические связи. Первоначально РНКаза Н распознавала и расщепляла только родственные (знакомые) возбудители, но со временем приобрела универсальный характер. «Ножницы» проявляют активность внутри клетки, и в свое время они попали в клетку вместе с первым вирусом-возбудителем. Возможно, белковые «ножницы» стали результатом расщепления РНК, и в эволюции известны следующие тенденции: РНК – белок, рибозимы – РНКаза Н, РНК-«ножницы» – белковые «ножницы». Для того чтобы заниматься анализом такого сценария, мне пришлось уйти в отставку. Существует около 10 типов молекулярных «ножниц», РНКаз Н, и в силу ряда исторических причин у них разные названия. Я открыла ретровирусную РНКазу Н и изучала ее несколько десятилетий. Эта тема занимала мои мысли много лет, но я упустила из вида все остальное.
Довольно удручающий, хотя и занимательный результат. А все из-за специализации и повседневных забот, обусловленных работой в штате, – это я говорю в свое оправдание, – которые для меня внове и забирают много времени. И тем не менее… Как я могла всего этого не заметить? Ведь эти открытия могла бы сделать я, но не сделала!
Наследуемая иммунная система у бактерий – а как у нас?
Нужна ли бактериям иммунная система? Могут ли они заболеть? Как распознать больные бактерии? Нужна ли им противовирусная защита? Могут ли они защититься? На самом деле бактерии не болеют. Но они являются прибежищем для вирусов, имеющих специальное название – фаги. Индуцируют ли фаги заболевания? Я не знаю, но фаги способны на гораздо большее. Они могут лизировать бактерии и полностью их уничтожать. Это происходит при следующих обстоятельствах: стресс под влиянием условий среды, высокая температура, отсутствие пищи и недостаточность пространства. Нужна ли бактериям иммунная система от их вирусов, фагов? Да, нужна: бактериям необходима противофаговая система защиты, но не для защиты от болезней, а чтобы не умереть! Поскольку большинство фагов содержит ДНК, бактериям требуется антивирусная ДНК-защита, так же как РНК-содержащим вирусам нужна противовирусная РНК-защита.
ДНК-содержащие фаги удаляются ДНК-механизмами, в результате чего защита одного фага оказывается направленной против второго аналогичного фага. Не клетка, а вирус противостоит другим конкурирующим вирусам, и клетка от этого выигрывает. Каждый фаг внутри клетки защищает клетку от проникающих в нее ДНК. Вероятно, причина этого довольно проста: ресурсы клетки ограниченны. Ресурсы клетки рассчитаны на производство нескольких сот потомков только одного вируса. Такой же механизм применим ко всем вирусным системам. Это относится и к механизму РНК-защиты, сайленсингу или siRNA, направленным против других РНК-содержащих вирусов. Это всегда регулируют вирусы, клетки же предоставляют только «окружение» и получают от этого выгоду. Это основной универсальный организм для всех вирусов и всех иммунных систем. В основе всего многообразия клеточных иммунных систем лежит вирусная инвазия в клетку и отторжение других вирусов. Это очень важно, потому что такое постоянно случается и у нас!
Иммунная система бактерий, основанная на ДНК, которая уничтожает новые инфицирующие ДНК-содержащие фаги, называется CRISP/Cas9, где CRISP – акроним от «короткие палиндромные кластерные повторы», а Cas9 – это CRISP-ассоциированный фермент номер 9, а их существует много! Просто запомните Crisp (слово, обозначающее «новый», «свежий» или «хрустящий»). А поскольку даже лауреат Нобелевской премии Кристиана Нюсляйн-Фольхард на своих слайдах пишет CRISPER, это уже не считается орфографической ошибкой и это слово используется на законном основании!
Система CRISPR напоминает адаптивную иммунную систему человека – специфическую, распознающую вторжение. Но она наследуется и поэтому может называться врожденной иммунной системой! И то и другое! ДНК проникшего в бактерию фага скремблируется (расшифровывается), добавляются спейсоры, и фрагменты интегрируются в геном бактерии. Если в нее попадает второй фаг, он сталкивается с РНК-транскриптом предыдущего интегрированного фага. Если он идентичен, то разрезается на части молекулярными «ножницами» Cas. (Cas – несколько модифицированная РНКаза Н с такой же структурой, но специализируется она на удалении ДНК из гибрида, именно ДНК, а не РНК; поэтому это функция, аналогичная функции гибрид-специфической ДНКазы Н! H означает гибрид РНК–ДНК. В конце концов, вторгшийся вирус имеет геном, представленный ДНК, который необходимо уничтожить, тогда как применительно к ретровирусам из гибрида удаляется РНК, для чего используется РНКаза Н.)
Выровненные фрагменты ДНК-фага вставляются в бактериальный геном, ожидая активации противовирусной защиты. В этом случае также один вирус изгоняет другой. Таким образом, вирус и противовирусная защита очень похожи, о чем говорилось выше при рассмотрении ретровирусов. Защита бактерий от фагов называется «исключение суперинфекции», что-то вроде «отсутствия проникновения».
Удивительная иммунная система бактерий имеет еще одно неожиданное свойство: она передается из поколения в поколение и защищает всех потомков бактерий. Это обусловлено интеграцией фрагмента ДНК первого фага. Даже через много поколений транскрипт мРНК способствует элиминации (устранению) новых инфицирующих родственных ДНК-содержащих фагов.
А что же можно сказать об организме человека? Ученые, выступавшие в 2013 г. с пленарными докладами на Международном конгрессе по РНК в Давосе, высоко оценивали роль системы CIRSPR/Cas9 как единственной наследуемой иммунной системы. Что касается людей, мать передает новорожденному часть своих антител, которые в течение ограниченного времени защищают его от инфекционных агентов, – своего рода стартовая помощь, но краткосрочная. Мы начинаем формировать свои иммунные системы и иммунологическую память позднее, и продолжается это всю жизнь. Клетки, защищающие наш организм от вторжения инфицирующих агентов, могут оставаться клетками памяти гораздо дольше и очень быстро мобилизуются и распространяются в случае повторной инфекции – это иммунитет, сохраняющийся всю жизнь. Да, это действительно так, но все это относится только к конкретному индивидууму и не передается следующему поколению.
Почему же бактерии оснащены гораздо лучше людей и имеют «наследуемую» иммунную систему? Это совершенно удивительно. Возможно, это совсем не так! Такая мысль пришла мне в голову только после написания этой главы. У нас тоже есть наследуемая иммунная система: эндогенные ретровирусы в нашем геноме, которые выполняют функции противовирусной защиты, поскольку в процессе эволюции они научились изгонять другие ретровирусы. Мы более не замечаем, как это происходит. На ум приходит вирус «Феникс» – ретровирус, реконструированный из десятка поврежденных «Феникс»-подобных структур. Инфицирующий вирус был восстановлен из ископаемых предшественников. Насколько же это выгодно как для вирусов, так и для клетки! Вирус не может проникнуть в инфицированную клетку, уже занятую вирусом, не претерпев изменений, он вынужден быть изобретательным и придумывать нечто новое, чтобы избежать взаимодействия с вирусом, уже находящимся в клетке, например путем мутации поверхностных рецепторов, призванных обеспечить взаимодействие с «новым вирусом-хозяином». Это явление называется изменением тропизма. Необходимо нечто новое, и вирусы – самые изобретательные существа, подходящие для этих целей!
