Bakterien erben erworbene Immunität • Elena Naimark • Wissenschaftsnachrichten über "Elemente" • Genetik, Evolution

Bakterien erben die erworbene Immunität

Bakterien schützen sich vor Viren und versuchen, die Parasiten zu identifizieren, noch bevor sie ihre DNA in die Zelle einbringen. Aber wenn die Infektion passiert, verwenden die Bakterien eine andere Art von Schutz; es wird durch das Vorhandensein eines speziellen CRISPR-Locus in der Zelle bereitgestellt. Foto von www.hybridmedicalanimation.com

In den letzten Jahren haben Biologen aktiv eine neu entdeckte spezielle Art von Immunität in Bakterien und Archaeen erforscht. Die Immunantwort wird durch spezielle RNA bereitgestellt, deren Gene in speziellen Loci, CRISPR genannt, lokalisiert sind. Diese RNAs erkennen fremde DNA und helfen, sie zu zerstören. Es ist bemerkenswert, dass mit der Einführung eines neuen Virus neue korrespondierende Gene in dem CRISPR-System in einem infizierten Bakterium gebildet werden und die Elternzelle die erworbene Immunität durch Vererbung überträgt. Das CRISPR-System hat auch einen eingebauten Mechanismus, um seine eigene DNA vor Autoimmunzerstörung zu schützen.

Immunität hilft allen fühlenden Wesen, mit der Einführung von außerirdischen Agenten einschließlich Parasiten fertig zu werden. Das Immunsystem ist ein komplexer biochemischer Apparat; bei höheren Tieren zielt es auf die schnelle Erkennung des Parasiten und die verstärkte Produktion von Antikörpern, die helfen, es zu neutralisieren.Die wichtigste Verbindung in der Vertebraten-Immun-Maschine – die Produktion der notwendigen, spezifischen Antikörper – ist eine witzige Erfindung der Natur: Aus den Millionen verfügbarer Lymphozyten werden eine oder mehrere ausgewählt, deren Oberflächenproteine ​​komplementär zum Antigen des eingeführten Parasiten sind. Die Bildung des Antigen-Antikörper-Komplexes verursacht eine verstärkte Reproduktion dieser Art von Lymphozyten, was eine schnelle Immunantwort bereitstellt.

Die Quelle der bemerkenswerten Vielfalt von Lymphozyten sind unzählige Kombinationen von mehreren kurzen Segmenten von Nukleotidsequenzen, aus denen Antikörpergene in einem reifenden Lymphozyten zusammengesetzt sind. Daher muss die Zelle keine separaten Gene für jeden Antikörper speichern, Sie können eine Reihe von Leerstellen speichern und dann bei Bedarf die gewünschte Kombination von Leerstellen auswählen. Eltern geben Nachkommen genau Sätze von Leerzeichen. Daher kann die für das Leben erworbene Immunität nicht vererbt werden, nur die Möglichkeit, sie zu erwerben, wird vererbt. Dies ist der Fall bei Wirbeltieren.

Bei Wirbellosen und Pflanzen ist die Immunität hauptsächlich angeboren (vglPflanzenimmunität), und wenn es Elemente der erworbenen Immunität gibt, dann werden die Schutzmittel, die sich während des Lebens des Organismus entwickeln, nicht von den Eltern auf die Nachkommen übertragen – nur die Fähigkeit, sie zu produzieren, wird vererbt. Aber Bakterien und Archaea, wie es sich in Studien der letzten Jahre herausstellte, sind in der Lage, erworbene Immunität weiterzugeben, und zeigen damit einen der seltenen Fälle dieser "Lamarck" -Vererbung (siehe Vererbung von erworbenen Merkmalen).

Im Jahr 2002 begann eine systematische Untersuchung spezifischer Bereiche (Loci) des bakteriellen Genoms, bei denen es sich um kurze palindromische Repeats handelt, die in Gruppen angeordnet sind (CRISPR, Clustered Interstated Short Palindromic Repeats). Diese Loci sind in 90% der Archaea und 40% der Bakterien gefunden.

CRISPR-Loci bestehen aus mehreren sich nicht berührenden palindromischen Wiederholungen, zwischen denen sich Lücken – Abstandshalter befinden. Ein Spacer ist ein kurzer Abschnitt der viralen oder Plasmid-DNA. Die Größe einer CRISPR-Wiederholung wird in 23-47 Nukleotidpaaren und Spacern berechnet – von 21 bis 72 Nukleotidpaaren. Die Anzahl der Repeat / Spacer-Gruppen kann 375 erreichen, normalerweise jedoch weniger als 50. In einem bakteriellen Genom kann es nicht einen, sondern mehrere CRISPR-Loci geben.

In unmittelbarer Nähe des CRISPR befinden sich Gene von speziellen Proteinen namens Cas (CRISPR assoziiert). Cas ist in der Regel Nukleasen, Polymerasen, Nukleotid-bindende Proteine; Insgesamt umfasst diese Gruppe etwa 40 Proteinfamilien.

Wiederholungen von CRISPR-Sequenzen sind innerhalb jeder mikrobiellen Spezies sehr konservativ, variieren jedoch stark von Spezies zu Spezies.

Das Schema von zwei Loci Streptococcus thermophilusenthält CRISPR und assoziierte GeneCas. Graue Farbe werden gezeigt Cas– Gene schwarz – CRISPR-Sequenzen. Unter schwarze Rechtecke überliefert eine detaillierte CRISPR-Struktur. Schwarze Diamanten – das sind palindromische Wiederholungen, und weiße kleine Rechtecke – Abstandshalter, die Teile von Plasmid- oder viraler DNA sind. Briefe Die Nukleotidsequenzen der palindromischen Sequenzen sind unten markiert, und die schleifenartige Struktur auf der rechten Seite zeigt die Sekundärstruktur des palindromischen RNA-Repeats. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaft

Im Jahr 2007 wurde das experimentell gezeigt Streptococcus thermophilus während des Kampfes gegen Bakteriophagenviren ändert es die CRISPR-Sequenz, indem eine oder mehrere Repeat / Spacer-Einheiten am Ende der alten Sequenz vervollständigt werden.Die hinzugefügten Spacer waren denen des viralen Genoms ähnlich. Gleichzeitig haben Bakterien Resistenz gegen dieses Virus erworben. Wenn man die Nukleotidsequenz des hinzugefügten Spacers ändert oder sogar den Spacer ausschneidet, geht die erworbene Phagenresistenz verloren.

In den nächsten zwei Jahren haben Wissenschaftler bewiesen, dass sich CRISPR-Loci als Antwort auf virale Aktivität entwickeln, so dass die Zusammensetzung und Reihenfolge der Abstandshalter die Geschichte verschiedener Virusattacken anzeigt. Daher führt die Interaktion mit Viren und fremden Plasmiden zum Auftreten einer Immunität, die in mehreren Generationen dieses Stammes erhalten bleibt. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, was der Mechanismus für den Erwerb und die Vererbung von Immunität sein könnte.

Erstens sind Сas-Proteine ​​an der Bildung von Immunität beteiligt. Inaktivierung Cas– führen zu einer Abnahme oder einem Verlust der Fähigkeit, virale oder Plasmid-DNA als Spacer zu integrieren. Wenn fremde DNA die Zelle durchdringt, dann erkennen die Cas-Proteine ​​sie zuerst. Dann schneiden sie auch einen Teil der Alien-DNA aus und vervollständigen die Replay / Spacer-Einheit im CRISPR-Locus. Die aktualisierte bakterielle DNA wird anschließend normalerweise dupliziert und von den Nachkommen dieses Bakteriums vererbt.Während der Transkription von CRISPR wird eine RNA-Kette (CRISPR-RNA, oder crRNA) gebildet, die dann in kurze Stücke geschnitten wird, die aus zwei Hälften eines palindromischen Repeats und einem Abstandhalter zwischen ihnen bestehen. Dieser Schnitt führt auch Sas-Proteine ​​aus.

Das Ergebnis ist eine eindrucksvolle Anordnung von kurzen crRNAs mit verschiedenen viralen Spacern. Unter ihnen ist derjenige, der glücklich mit einer kürzlichen Infektion erworben wurde. crRNAs werden mit einigen Cas-Proteinen kombiniert. Wenn dieses Virus erneut in die Zelle eintritt, erkennt die RNA, die den entsprechenden Spacer trägt, die komplementäre Region der viralen DNA, und die Cas-Proteine ​​sorgen für die Inaktivierung und Entsorgung der parasitären DNA. Es versteht sich von selbst, dass die Erkennung von Fremd-DNA mittels crRNA viel effizienter und schneller ist als die ursprüngliche Erkennung, aus der die Immunitätsbildung hervorgegangen ist.

Man kann sich vorstellen, dass bei häufigen Angriffen eines bestimmten Virus die entsprechende Arbeitseinheit "repeat / spacer" in mehreren Generationen funktionsfähig bleibt (Mutationen, die sie schädigen, werden durch Selektion eliminiert). Wenn der Parasit selten oder exotisch ist, wird die entsprechende "Wiederholungs- / Spacer" -Einheit schnell Mutationen akkumulieren, aufhören zu arbeiten oder ganz verschwinden.Die CRISPR-Immunität ist also ein sich selbst anpassendes System. Die Interaktion zwischen Bakterien und Viren führt dazu, dass sich ihre Genome extrem schnell entwickeln.

In jüngerer Zeit haben amerikanische Wissenschaftler von der Northwestern University (Evanston, Illinois) herausgefunden, wie Bakterien eine Autoimmunreaktion vermeiden können, wenn crRNA funktioniert. Hypothetisch sollten crRNAs einen Teil des CRISPR-nativen Locus im bakteriellen Chromosom erkennen und deaktivieren. Aber das passiert nicht. Es stellte sich heraus, dass nicht nur Spacer an der Erkennung fremder DNA beteiligt sind, sondern auch Fragmente von palindromischen Wiederholungen, die den Spacer limitieren. Wenn sich bei der Paarung von crRNA mit DNA nicht nur der Spacer, sondern auch die umgebenden Nukleotide als komplementär erweisen, erkennt die crRNA die "native" DNA und der Immunangriff findet nicht statt. Wenn nur der crRNA-Spacer zusammenpasst, dann bedeutet dies eine fremde Kette, und dann werden die Cas-Proteine ​​von parasitärer DNA befreit.

Quellen:
1) Philippe Horvath, Rodolphe Barrangou. CRISPR / Cas, das Immunsystem von Bakterien und Archaea // Wissenschaft. 2010. V. 327. P. 167-170. DOI: 10.1126 / science.1179555.
2) Luciano A. Marraffini, Erik J. Sontheimer. Selbst- oder Nicht-Selbst-Diskriminierung während der CRISPR-RNA-gerichteten Immunität // Natur. 13. Januar 2010. Doi: 10.1038 / nature08703.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: