Что общего в иммунитете растений и животных (стр. 2 из 3)
Схема участка хромосомы, включающего семейства вариабельных, V, и константных, C, генов (вверху). Численность V-генов в отдельных семействах варьирует от 50 до 1000, а C-генов - от 1 до 9. Внизу - сборка V-гена: V-фрагмент - контролирующий первые 95 аминокислот, D - следующие за ним от 2 до 10, J - концевой фрагмент V-гена, контролирующий от 5 до 10 концевых аминокислот. Районы ДНК, разделяющие V-D и D-J фрагменты, вырезаются и утрачиваются при сборке гена.
Возникновение кластеров сцепленных генов, функционально и, вероятно, структурно сходных, обусловлено внутри- или межгенными обменами участков ДНК, имеющих прямые (аbсd - а’b’с’d’) или инвертированные (аbсd - d’с’b’a’) повторяющиеся последовательности. Нити ДНК двух родителей в мейозе могут спариваться по гомологичным последовательностям, которые находятся в негомологичных участках хромосом. Это приводит к неравному кроссинговеру. В результате у одного родителя участок хромосомы теряется (делетируется), а у второго - удваивается (дуплицируется), т.е. вместо одного гена появляется два сцепленных.
С этой точки зрения наибольший интерес представляет LRR-область R-белков с многочисленными повторяющимися последовательностями. Благодаря точковым мутациям, делециям, инверсиям такая структура обеспечивает генетическую реорганизацию. Экспериментально показано, что мутации, изменяющие реакцию на заражение авирулентными расами патогенов, картированы в LRR-области.
Большую роль в увеличении генетического разнообразия семейств генов устойчивости могут играть разрывы кодирующей части ДНК, вызванные внедрением мобильных генетических элементов. Так, у риса в локусе белка Ха21 обнаружены транспозоны Truncator и Retrofit, приводящие к разрывам и образованию самостоятельных рамок считывания. Этот белок сочетает свойства двух белков томата - мембранного рецептора и фермента протеинкиназы. Возможно, возникновение генов С/9 и Pto обусловлено разрывом предшественника, подобного гену Ха21.
Схема строения R-белков. Заштрихованы С-концевые домены, которые содержат повторяющиеся последовательности, богатые лейцином (LRR-области). Каждый повтор состоит из 23-24 аминокислот. Эта структура, встречающаяся во многих белках эвкариот, осуществляет белковые взаимодействия, т.е. служит рецептором, связывающимся с лигандом - элиситором патогена. NBS (Nucleotide Binding Sites) - сигнальная область, связывающаяся с АТФ и ГТФ, вследствие чего она может активировать киназы или сигнальные G-белки. LZ (Leucine Zipper Region) - область лейциновой “застежки”, которая участвует в формировании спирализованных структур, ответственных за димеризацию или специфическое взаимодействие с другими белками. TIR (Toll/Interleukin-1 Resistance) - область гомологии с цитоплазматическим доменом Toll-белка дрозофилы и рецептором интерлейкина-1 млекопитающих. Возможно, TIR-область растительных R-белков несет сходные функции. РК - серин-треониновая протеинкиназа - фактор активации транскрипции и других сигнальных путей. Слева обозначены гены растений, кодирующие R-белки: RPS и RPM - гены устойчивости арабидопсиса к бактериям из рода Pseudomonas; L - ген устойчивости льна к ржавчине; N - ген устойчивости табака к вирусу табачной мозаики; RPP - ген устойчивости арабидопсиса к ложной мучнистой росе; Cf - гены устойчивости томатов к грибу Cladosporium fulvum; Xa - ген устойчивости риса к бактерии Xanthomonas oryzae; Pto и Prf - система генов, контролирующих устойчивость томатов к бактерии Psiulomonas tomato. Справа - содержание аминокислот в белках. Внутренние цифры - проценты идентичных последовательностей в специфических областях. Стрелки указывают направления транскрипции, а треугольники - положение интронов.
Разные типы рекомбинаций (A, B, C) на хромосомном сегменте, содержащем локусы устойчивости растений к болезням (А – С). Внизу - гипотетические изменения устойчивости к расам патогенного микроорганизма, возникающие в результате рекомбинаций.
Таким образом, аналогично множественным генам иммуноглобулинов у млекопитающих, обеспечивающих синтез антител, у растений имеются белки, которые кодируются семейством сцепленных генов. Высокая вариабельность их генопродуктов позволяет быстро реагировать на заражение новыми вирулентными видами и расами паразитов.
Передача сигнала и иммунный ответ
Между возбуждением рецептора и активацией генов иммунного ответа происходит трансдукция - передача сигнала, в ходе которой он многократно умножается. Процесс осуществляется сигнальными системами (как правило, общими для всех клеток), участвующими в регуляции разных сторон жизнедеятельности организма. Некоторые сигнальные системы функционируют в зараженных и больных клетках и тканях.
Например, инфекция растений и животных часто сопровождается окислительным взрывом, вызванным появлением активных форм кислорода (перекиси водорода, гидроксид-радикала, анион-радикала). В этом процессе важную роль играет NADPH-оксидазная система цитоплазматической мембраны. У растений она аналогична таковой у макрофагов и нейтрофилов млекопитающих. Иммунные сыворотки к ключевым компонентам NADPH-оксидазного комплекса животных взаимодействуют с растительными белками соответствующего размера. Клонированы гены риса, гомологичные гену мембранного белкового компонента NADPH-оксидазной системы нейтрофилов животных. В клетках растений активные формы кислорода образуются также с участием пероксидазы клеточной стенки и оксалатоксидазы. Эти альтернативные пути появления активного кислорода не подавляются специфическими ингибиторами окислительного взрыва у животных.
Предполагают, что активные формы кислорода не только высокотоксичные соединения, способные локализовать инфекцию, но и участники сигнальной системы: супероксид-анион и перекись водорода активируют транскрипцию и, как следствие, экспрессию защитных генов.
Активным компонентом в сигнальной системе служит салициловая кислота, ее концентрация многократно повышается не только в местах инфицирования, но и в удаленных тканях. Поскольку салициловая кислота подавляет активность фермента каталазы, разлагающей перекись водорода, количество последней еще более возрастает. Не менее важна роль салициловой кислоты и ее ацетилированной формы (аспирина) в регуляции защитных реакций у позвоночных животных. В этом случае она блокирует синтез простагландинов и активность гена фактора некроза опухолей (ФНО), ограничивает продукцию интерлейкина 1, осуществляя тем самым противовоспалительное и жаропонижающее действие.
Одна из важных сторон присутствия в клетке активных форм кислорода - индукция клеточной гибели или апоптоза. Показано, например, что трансгенные растения табака, у которых подавлен синтез ферментов, разлагающих перекись водорода, гиперчувствительны к патогенам. У таких растений даже низкие дозы патогенов, не влияющих на контрольные растения, вызывают реакцию сверхчувствительности.
Работы последних лет выявили много общего между апоптозом у животных и растений при реакции сверхчувствительности. В клетках зараженных растений освобождаются свободные 3'-концы ДНК, активируется Са2+-зависимая эндонуклеаза, появляются фрагменты ДНК размером около 50 тыс. оснований, а также олигонуклеосомные фрагменты. Для модельных систем показано, что такие фрагменты образуются только в несовместимых комбинациях растение-патоген. Кроме того, обнаружены остаточные апоптозные тельца, мигрирующие к периферии клетки. Токсин томатного патогена вызывает апоптоз и в клетках животных. В системе фасоль-ржавчина 3'-олигонуклеосомные фрагменты найдены только в клетках, содержащих выросты мицелия гриба (гаустории), что указывает на высокую специфичность процесса.
Морфологические изменения растительных клеток в апоптозе также сходны с таковыми у животных: резко уменьшается размер клетки, цитоплазматическая мембрана приобретает складчатость, ядро конденсируется и дробится, митохондрии набухают, протопласт отделяется от клеточной стенки и распадается на отдельные везикулы, подобные апоптозным тельцам. У животных апоптозные везикулы поглощаются соседними или специализированными клетками, у растений же фагоцитозу препятствует клеточная стенка. При сверхчувствительной реакции вокруг очага поражения образуется перидерма, поскольку здоровые клетки приобретают меристематическую активность. Вероятно, в апоптозе растений участвуют хлоропласты, как и митохондрии у животных.
Индукторами апоптоза у животных и растений могут быть одни и те же иммуномодуляторы микроорганизмов. Внешний стимул в животных клетках активирует цистеиновую протеазу - каспазу, которая расщепляет многие внутриклеточные белки, вызывая конденсацию цитоплазмы и фрагментацию ДНК. Многие растительные R-белки имеют участки, гомологичные регуляторам апоптоза у животных. Возможно, и функционально участки R-белков сходны с регуляторами апоптоза у животных.
* * *
Благодаря молекулярным исследованиям стало ясно, что в процессах, обеспечивающих жизнедеятельность клетки и ее взаимодействие с окружающей средой, между простейшими эвкариотами, дрожжами, и венцом творения, человеком, гораздо больше общего, чем специфического. Поэтому не удивительно наличие общих механизмов в защите от инфекционных болезней. Переход от примитивных механизмов иммунитета у растений к совершенным, присущим позвоночным животным, заключается, видимо, в разделении функций.