Наши клетки и бактерии воюют с вирусами похожим оружием.

Наша иммунная система – это огромное число самих клеток, которые рыщут по организму в поисках опасных чужаков с тем, чтобы их уничтожить; эти клетки общаются друг с другом и другими органами с помощью огромного набора сигнальных молекул. Сюда стоит добавить и разнообразное оружие, которое иммунные клетки используют против болезней – от белков антител до хлорноватистой кислоты; сюда стоит добавить и разнообразные защитные механизмы, которые встроены в любые наши клетки, не только иммунные. Но иммунитет, очевидно, не появился прямо сразу в таком сложном виде, отдельные его «кирпичики» возникали в живых организмах с давних пор – какие-то отдельные части животного иммунитета можно обнаружить, например, у бактерий.

Бактериям есть что противопоставить вирусам-бактериофагам. (Иллюстрация: Burgstedt / Depositphotos) 

Так, у бактерий есть белки, очень похожие на так называемые TIR-домены: куски крупных рецепторов в клетках животных и растений, которые помогают клеткам животных и растений распознавать молекулярные структуры, свойственные микробам. У нас TIR-домены очень важны для врождённого иммунитета; а бактериям TIR-белки помогают отражать атаки вирусов-бактериофагов. Другой пример – система распознавания вирусной РНК, которая есть у бактерий и архей, и которая похожа на такую же  систему у растений и животных.

Ещё один случай бактериального иммунитета, который потом пригодился многоклеточным, описан в Nature исследователями из Института Вейцмана. Речь о системе cGAS–STING, которая животным служит защитой от вирусов. cGAS и STING – два ключевых белка: если на клетку напал вирус, чей геном закодирован в ДНК, то фермент cGAS синтезирует специальную сигнальную молекулу, которая активирует STING. Сокращение STING означает Stimulator of Interferon Genes, то есть стимулятор интерфероновых генов: STING активирует другой белок, который уже идёт в ядро и включает гены, запускающие противовирусное воспаление.

Гены, похожие на систему cGAS, есть и у бактерий. Авторы работы заметили, что бактериальные гены располагаются с другими противовирусными генами, которые кодируют систему CRISPR–Cas. (О системе CRISPR–Cas мы часто слышим в биотехнологических новостях: на основе CRISPR–Cas удалось сделать достаточно точную систему редактирования ДНК.) Раз гены cGAS находится в геноме рядом с CRISPR–Cas, то, возможно, он тоже участвует в отражении вирусной атаки, и когда в бактерии включается CRISPR–Cas, то вместе с ним включается и система cGAS.

Исследователи решили проверить, как будут чувствовать себя холерный вибрион и кишечная палочка, если лишить их cGAS. Бактерии, у которых эти гены не работали, полностью теряли устойчивость к самым разным вирусам. Под устойчивостью тут имеется в виду выживание всей бактериальной колонии: отдельная клетка, в которую проник вирус, всё равно гибла. Но только в одном случае она гибла от вируса, который в ней успешно размножался, а в другом случае она гибла вместе с вирусами благодаря системе cGAS.

Поскольку эта система работает у бактерий иначе, чем в животных клетках, её назвали CBASS – cyclic-oligonucleotide-based anti-phage signalling system, или антифаговая сигнальная система, использующая циклические олигонуклеотиды. Сигнальные молекулы, которые синтезирует фермент cGAS, это как раз циклические олигонуклеотиды и есть: они активируют ещё один фермент, который разрушает мембрану бактериальной клетки; либо же в дело включаются белки, которые создают в мембране несовместимую с жизнью пору; или же те, что просто расщепляют геном самой бактерии. Так или иначе, бактерия гибнет вместе с вирусами, но зато колония в целом остаётся незаражённой.

Противовирусная система CBASS есть у 10% бактериальных штаммов – из тех, чьи геномы нам известны, так-то она может быть ещё более распространена. При этом CBASS довольно разнообразна; например, разные бактерии используют разные сигнальные молекулы (хотя все такие молекулы относятся к одному типу циклических олигонуклеотидов) или же в них срабатывают разные механизмы суицида. Такое разнообразие связано, скорее всего, с тем, что вирусы учились преодолевать противовирусную защиту, а бактерии, со своей стороны, создавали в ней новые, незнакомые вирусам модификации.

По словам исследователей, в некоторых случаях в систему CBASS входят и те белки, о которых говорилось в начале – которые соответствуют другим «кирпичикам» животного иммунитета. Так что возможно, что наш иммунитет начинался с обкатки разных способов противовирусной защиты у каких-то бактериеподобных одноклеточных, и постепенно усложняясь, переходя от одних организмов к другим, научился воевать не только с вирусами, но и с бактериями, и с раковыми клетками.