История иммунной системы

Как бактерии защищаются от вирусов

Многие иммунные функции бактерий, направленные на защиту их от бактериофагов, к настоящему времени хорошо изучены. Их можно назвать врожденной иммунной системой[4]. Это значит, что бактерии уже в момент своего возникновения генетически оснащены ею. У людей и всех других форм жизни также имеются подобные врожденные иммунные функции, которые не приходится приобретать на протяжении жизни. Конечно, наш иммунитет намного эффективнее и сложнее, чем у бактерий, но бактерии также обладают простейшими защитными средствами.

Во-первых, у многих бактерий имеются внешние барьеры, затрудняющие бактериофагам процесс присоединения. Для этого они могут, к примеру, закапсулироваться, создав таким образом механический барьер между собой и окружающим миром. Тот самый кристалл соли, в котором самая старая из ныне живущих бактериальных клеток находилась 250 миллионов лет, тоже, по сути, защитная капсула. Еще одна возможность защиты – это скопление молекул на поверхности клетки, также образующих барьер. Говоря об этой иммунной функции, можно вспомнить о коже человека и других млекопитающих или слое слизи на слизистой оболочке, препятствующих проникновению возбудителей болезней в организм.

Эта простая механическая защитная функция наглядно демонстрирует, что иммунная система, впервые возникшая еще у одноклеточных организмов, представляет собой по сути экологическую систему, которая призвана распознавать воздействия окружающей среды как безвредные или вредные и обеспечивать защиту от последних. Как мы вскоре убедимся, сформированный в процессе эволюции наш собственный иммунный механизм, куда более сложный, представляет собой такую же экологическую систему.

Во-вторых, бактерии демонстрируют устойчивость к адсорбции. Это значит, что определенные белки на поверхности клетки, к которым могут присоединяться бактериофаги, удаляются или видоизменяются таким образом, что устраняется «замочная скважина», через которую проникает инфекция. Такая форма иммунитета есть и у более высокоорганизованных форм жизни, в том числе и у человека. Правда, она срабатывает только в случае, если предки данного организма уже имели контакт с определенным возбудителем. Таким образом, речь идет о своего рода унаследованном коллективном иммунитете, в том числе и у бактерий.

В-третьих, есть возможность обездвижить бактериофаг уже после его присоединения к бактерии-хозяину в случае, если внешние барьеры не сработали. Клетка бактерии может распознать начавшийся процесс проникновения в нее, реагируя на определенные белки, молекулы сахаров или специфические структуры возбудителя. В ответ на это она вырабатывает противоядие, которое лишает бактериофаг возможности двигаться, так что он не может завершить процесс проникновения в бактерию. Образно говоря, подвергшаяся нападению бактерия обстреливает захватчика стрелами с парализующим ядом, и эта космическая капсула, пожирающая бактерии, выходит из строя. Даже на более поздней стадии, когда бактериофаг уже проник внутрь бактерии, она все еще может парализовать агрессора и остановить процесс инфицирования.

В-четвертых, бактерия способна распознать генетический материал бактериофага и попытаться обезвредить его путем уничтожения или изменения, пока он не превратил бактериальную клетку в фабрику по производству вирусов. В этом случае бактерия как бы обращает оружие вируса против него самого и модифицирует впрыснутый генетический материал, пока тот не сделал то же самое. При этом сохраняется собственная ДНК бактерии, которая находится, как мы помним, не в ядре, а во внутриклеточной плазме.

Большой интерес представляет пятый защитный механизм бактерий, так как он основан на сотрудничестве и представляет собой прототип нашей собственной иммунной системы. Для того чтобы ограничить размножение бактериофагов, бактерия помечает напавшего на нее возбудителя определенными веществами. Другие родственные бактериальные клетки распознают маркированные бактериофаги и уничтожают их. Правда, самόй подвергшейся нападению бактерии это уже не может помочь, но воздействие возбудителей на популяцию бактерий в целом удается ослабить.

Этот процесс интересен тем, что он представляет собой прототип так называемой опсонизации, играющий важную иммунобиологическую роль у многочисленных форм жизни, включая и людей. Он заключается в том, что наша иммунная система помечает вирусы или бактерии специальными белками из плазмы крови. На эту маркировку реагируют остальные клетки нашей врожденной иммунной системы, например фагоциты и нейтрофилы, выполняющие функции неотложной помощи. Эти клетки удаляют маркированных возбудителей, даже не прибегая к образованию антител.

Процесс основывается исключительно на механизмах врожденного иммунитета и был впервые изобретен бактериями — простейшими формами земной жизни. По аналогии с популяцией бактерий мы можем рассматривать свой организм как популяцию различных взаимодействующих друг с другом высокоспециализированных клеток. Для каждой из них, включая фагоциты и нейтрофилы, наше тело представляет собой среду обитания. Для нас опсонизация, то есть маркировка возбудителей с их последующим уничтожением защитными клетками, является способом избежать инфекций и выжить. В мире бактерий все иначе. Их среда обитания — это не многоклеточный организм, а, например, вода. Маркировка опасных бактериофагов с их последующим устранением направлена на защиту популяции, а не какой-то одной конкретной бактерии. Если довести эту мысль до конца, то можно сказать, что наш организм соответствует среде обитания, например морю, в котором живет множество отдельных клеток. Чтобы сохранить эту среду и тем самым свою популяцию, клетки сотрудничают друг с другом, защищаясь от возбудителей болезней, даже если сами погибают в этой борьбе. А уцелевшие — это мы: люди, животные, растения, которые стали средой обитания для хорошо организованных популяций клеток.

Шестой защитный механизм бактерий представляет особый интерес в плане истории иммунных систем, потому что он используется нами и всеми другими многоклеточными организмами в повседневной борьбе за сохранение здоровья. Этот важнейший механизм заключается в программируемой смерти клеток. Клетки нашего тела постоянно обновляются, что позволяет органам регенерировать и сохранять свои функции. Старые клетки уступают место новым. Если состарившаяся или подвергшаяся нападению возбудителей болезни клетка отказывается умирать, в дело вступает наш врожденный иммунитет и сам убивает ее. Эту задачу берут на себя клетки, носящие название естественных киллеров, о которых речь еще впереди. После этого отмершие клетки удаляются, перерабатываются, а то, что от них осталось, вновь пускается в дело. Например, с помощью фагоцитов, о которых также будет подробно рассказано ниже.

Программируемая (добровольная) смерть зараженных клеток идет на пользу всему клеточному сообществу, и ее эволюционные истоки мы находим у бактерий. После нападения бактериофагов они могут затормозить развитие инфекции с помощью генетической программы, носящей название апоптоз. Биологи нередко описывают этот процесс как «программу самоубийства клеток». Зараженная бактерия начинает производить энзимы, растворяющие ее внутренние структуры, прежде всего мембрану, так что клетка в конечном итоге разрывается на части, и развитие в ней инфекции прекращается. Правда, сама бактерия погибает, но это идет на пользу всей популяции. Точно так же программа самоубийства отдельных клеток в нашем организме, представляющих угрозу для здоровья, идет на пользу всем остальным.

Целые популяции бактерий могут быть невосприимчивыми к определенным бактериофагам, с которыми уже контактировали ранее их «предки». Для этого они, подобно археям, «изобрели» в ходе эволюции программу, которая соответствует разработанной человеком технологии CRISPR-Cas. Ее суть состоит в том, что ДНК целенаправленно разделяется на части и изменяется. Этот процесс называется редактированием генома. Биотехнологи подсмотрели этот метод у бактерий. Сегодня он широко применяется в исследовательской работе и генных технологиях для внесения в ДНК целенаправленных изменений.

Современные бактерии, как и археи и цианобактерии, способны в рамках редактирования генома вырезать определенные последовательности из наследственного материала опасных бактериофагов и встраивать их в свою ДНК в качестве своего рода архива возбудителей[5]. Если после этого бактериофаг атакует бактерию, то генетический материал агрессора сверяется с архивом. При совпадении из архива извлекается дополнительная информация, в том числе данные о том, какие защитные меры необходимо предпринять. В частности, из архива считывается генетическая программа создания иммунопротеина, который нужен для выведения возбудителя болезни из строя. Задача этого активированного белка заключается в том, чтобы расчленить генетический материал опасного бактериофага в строго определенных местах. Тем самым предотвращается перепрограммирование клетки и превращение ее в фабрику по производству вирусов.

Самое удивительное в этом процессе редактирования генома то, что он основывается на опыте. Бактерии и археи, которые контактировали с возбудителем болезни и смогли найти защиту против него, архивируют соответствующую информацию в своей ДНК. Поскольку ДНК передается по наследству, все последующие поколения этой бактерии будут снабжены информацией о возбудителе и мерах по борьбе с ним. С каждым новым поколением архив расширяется и дополняется. Хотя речь в данном случае идет о врожденной иммунной функции, она основывается на способности к обучению, передаваемой генетическим путем.

Бактерии могут размножаться слиянием или делением. При делении из одной бактерии получаются две генетически полностью идентичные друг другу, то есть клоны. В популяции бактерий это приводит к экспоненциальному росту: из 2 бактерий получаются 4, из 4 — 8, затем 16, 32, 64, 128 и т. д. Уже вскоре популяцию бактерий можно увидеть невооруженным глазом на лабораторной питательной среде, хотя каждая составляющая ее клетка имеет микроскопические размеры. Если учесть, что все образовавшиеся в ходе деления бактерии генетически идентичны, то можно рассматривать их в совокупности как один организм, который развивается не только в пространственном измерении, но и во временнόм. Это значит, что в результате деления появляются все новые клоны, хотя первоначальная бактерия, от которой они произошли, может уже и не существовать.

Можно ли считать эти клоны «другими»? Или они все-таки являются «той же самой» бактерией? Дело в том, что при делении не возникает двух новых бактерий на месте одной старой. Скорее одна бактерия превращается в две. При этом ничто не теряется. Если рассматривать популяцию бактерий, образовавшуюся путем деления, как единый организм, растущий во временном измерении, то обучаемость иммунной системы популяции приобретает новое значение. В этом случае генетический архив возбудителей и соответствующих мер защиты от них можно считать самой ранней и древней формой приобретенного иммунитета. В ходе эволюции этот механизм был доведен до совершенства в многоклеточных организмах, в том числе и человеческом, отдельные клетки которого живут в тесной связи друг с другом. Но начало этому развитию положила обучаемость бактериальной иммунной системы с ее основанным на опыте архивом возбудителей и соответствующих стратегий защиты.