Внутриклеточные паразиты и симбионты

Обновлено: 19.04.2024

Что бы там ни говорили ксенофобы, даже такие нежелательные гости человеческого организма, как паразиты, живущие в кишечнике, могут приносить своим невольным хозяевам существенную пользу. Например, защищать их от проявлений астмы и разнообразных аллергических состояний.

К такому выводу пришли исследователи из Эдинбургского университета, занявшиеся выяснением тонкостей взаимоотношений между разными видами глистов и зараженными ими людьми (а таких по всему миру сегодня насчитывается примерно два миллиарда человек). Несмотря на то что присутствие паразитов зачастую приводит к возникновению расстройств пищеварительной системы, дизентерии, замедлению физического развития зараженного и постоянному недоеданию, в некоторых случаях кишечные черви могут приносить и пользу, расплачиваясь, так сказать, за стол и ночлег. Тоже, впрочем, невольно.

Первые подозрения на этот счет появились у западных биологов еще в минувшем году по итогам исследования, проведенного на территории Габона. Тогда, как пишет журнал Nature, было обнаружено, что зараженные глистами дети демонстрируют пониженный уровень аллергических реакций. Автор исследования предположил, что этот неожиданный эффект как-то связан с усилением работы иммунной системы, пытающейся избавиться от агрессора и выделяющей повышенный объем T-клеток, регулирующих синтез иммуноглобулинов. Эти клетки не только заставляют B-клетки атаковать патогены, но и подавляют их ненужную активность, когда они пытаются атаковать безвредные вещества, вызывая аллергическую реакцию.

И вот недавно британским ученым удалось найти этому предположению экспериментальное подтверждение. Аргументы в пользу этой гипотезы были найдены в ходе обследования нескольких лабораторных мышей, зараженных паразитом Heligmosomoides polygyrus — круглым червем из класса нематод, достигающим пяти миллиметров в длину. Черви этого вида обитают в кишечнике носителя, цепляясь к ворсинкам, которыми покрыт кишечник.

Предварительное обследование показало, что иммунная система зараженных мышей выделяет значительно больше регулирующих T-клеток. Когда часть T-клеток была изъята у зараженных мышей и введена в кровь здоровых грызунов, клетки немедленно мигрировали в легкие своих новых хозяев и подавили астматическую реакцию, возникающую при вдыхании пыли, в которой обитают микроскопические клещи — обычный источник аллергии как у людей, так и у животных.

Авторы исследования, опубликованного в издании The Journal of Experimental Medicine, надеются, что полученные ими результаты приведут к созданию новых видов противоаллергенных препаратов, позволяющих добиться схожего эффекта, но более гуманным способом, не требующим заражения астматиков глистами.

Обзор

Автор

Редакторы

Эта Статья заслужила приз зрительских симпатий.

Однако есть заболевания, возможно, не столь смертельные, но куда сильнее бьющие по нам экономически. Это аутоиммунные заболевания, такие, как рассеянный склероз, системная красная волчанка или диабет 1-го типа. Если рак и инсульты чаще всего встречаются у пожилых людей, то аутоиммунные состояния обычно манифестируют (проявляются в виде симптомов) у молодых людей трудоспособного возраста и либо ложатся тяжким бременем на бюджет страны или больного (россияне, больные диабетом, если не получают инсулин от государства, тратят на поддержание собственной жизни от 1 до 5–6 тысяч рублей в месяц), либо, как в случае рассеянного склероза, просто ставят крест на карьере и жизни пациента.

Особенность аутоиммунных заболеваний состоит в том, что практически ни для одного из них мы за долгие годы исследований и экспериментов не научились достигать стойкой ремиссии. Текущие решения сводятся либо к поддерживающей терапии (как в случае с инсулинозависимым диабетом), либо к попыткам отсрочить терминальную стадию заболевания, на что нацелены препараты от рассеянного склероза. До недавнего времени ситуация выглядела довольно плачевно. Дополнительно усугубляет ее тот факт, что количество людей с аутоиммунными заболеваниями растет каждый год, и мы находимся на пороге настоящей эпидемии.

Однако там, где фармацевтическая отрасль терпит одну неудачу за другой, внезапно сама природа показала, куда смотреть исследователям и откуда брать по-настоящему работающее лекарство.

История вопроса

Чтобы понять, откуда возникла проблема с аутоиммунными заболеваниями, придется заглянуть далеко в прошлое.

Дело в изменившемся в ходе FET образе жизни человека. До этого мы жили небольшими группами, состоявшими не более чем из 50 особей, занимавшими довольно обширные пространства. К тому же мы постоянно меняли место жительства, нигде не оставались надолго. Культура гигиены была довольно низкой — зачем следить за чистотой убежища, если ты уже съел всех мамонтов вокруг и завтра надо искать новое место?

В ходе FET люди начали надолго оставаться на одном месте, формировать более крупные группы для защиты от набегов соплеменников. Скученность и загрязнение места обитания создали оптимальные условия для развития у нас инфекций. Начались эпидемии, которые были тем свирепее, чем больше был город и чем плотнее жили в нем люди.

Довольно долгое время, около 5000 лет, понадобилось человечеству, чтобы научиться справляться с инфекциями. Где-то раньше, где-то позже люди осознали важность гигиены для жизни и здоровья. Были эмпирически найдены лекарства от многих болезней. Можно сказать, весь прогресс медицины и человечества в целом происходил под постоянно довлеющим страхом новых эпидемий.

Рисунок 2. Обложка Le petit journal от 1 сентября 1912 года, посвященного эпидемии холеры в Индии и на Ближнем Востоке в начале 20-го века.

В настоящее время мы настолько чисты, насколько не были никогда в истории. Особенно хорошо это видно в развитых странах. Мы привыкли к тому, что во все дома подведена вода и всегда есть возможность принять ванную или душ. Мы пользуемся мылом, влажными салфетками, асептическими гелями. Мы даже моем наши дороги шампунем!

Казалось бы, ну чистые и чистые, что тут такого? При чем тут аутоиммунные заболевания? Оказывается, связь самая прямая.

Гигиеническая гипотеза

Этот переход стал возможен благодаря появлению антибиотиков и других высокоэффективных противопаразитических лекарств. В развитых странах он завершился к концу 20-го века. Если в середине века в Европе каждый третий житель был поражен гельминтами [1], то в настоящий момент обнаружение носителя этих паразитов скорее редкость. Россия в этом отношении практически не отстает от развитого мира благодаря нашим сильным гигиеническим традициям. Дополнительный вклад вносит городской образ жизни, централизованное снабжение очищенной водой, контроль качества пищи и так далее.

Рисунок 3. Обратное отношение между частотой инфекционных заболеваний и частотой иммунных расстройств с 1950 по 2000 годы. а — Изменение относительного количества заболевших различными инфекционными заболеваниями. б — Относительный рост заболеваемости аутоиммунными заболеваниями за тот же период.

Впоследствии многие исследователи показали то же самое на примере других аллергий и аутоиммунных реакций. К примеру, если детям из неблагополучных по гигиене регионов вроде Чили или Тайланда провести европейскую программу дегельминтизации, у них букетом высыпают аллергии [4].

Наверное, самым интересным примером тут является история с рассеянным склерозом [5–8]. Ученые решили посмотреть, что происходит, когда больной этим страшным заболеванием заражается гельминтами, и начали искать инфицированных червями пациентов с РС. Результаты были ошеломляющи. У пациентов, которые заражались определенными гельминтами (например, власоглавом Trichuris trichiura) течение заболевания практически останавливалось [6]. Во время инфекции у них на 95% снижалось количество новых бляшек в мозге (рис. 4). Результат, недостижимый ни одним современным методом терапии! Если же по каким-то причинам гельминтов требовалось удалить (например, развивалось острое воспалительное поражение кишечника), болезнь возобновлялась с той стадии, на которой остановилась при инфекции.

Рисунок 4. График появления новых бляшек в мозге (когортное исследование 2011 года). Круги — неинфицированные гельминтами пациенты, квадраты — инфицированные, треугольники — инфицированные, но вылеченные от гельминта (момент излечения показан черной стрелкой).

Иммунный ответ

Иммунная система призвана защищать организм от внутренних и внешних врагов. Внешними врагами являются вирусы, бактерии, простейшие и черви, которые постоянно попадают в наш организм и уничтожаются на дальних рубежах. Внутренними врагами являются раковые клетки, а также клетки, зараженные вирусами или внутриклеточными бактериями.

Когда паразит попадает в организм, первым делом его встречает врожденный иммунитет, клетки которого (макрофаги) есть во всех тканях. Антигеном в данном случае служат нехарактерные для нашего организма молекулы — клеточная стенка бактерий, двухцепочечная РНК некоторых вирусов, свободно плавающая в межклеточном пространстве наша ДНК и так далее. При обнаружении пришельцев, клетки врожденного иммунитета пытаются их уничтожить, параллельно выделяя провоспалительные молекулы (рис. 5). Воспаленная ткань блокирует выход паразита из места проникновения в остальной организм и привлекает новые клетки иммунитета к месту повреждения.

Рисунок 5. Фагоцит пожирает бактерии.

Если врожденному иммунитету не удается уничтожить захватчиков, в дело вступает адаптивный иммунитет. Происходит это отнюдь не сразу: активации адаптивного ответа предшествуют 3–4 дня подготовки в лимфоузлах (при этом лимфоузлы увеличиваются в размерах, что является признаком инфекционного заболевания). Начинается все с того, что некоторые из клеток врожденного иммунитета прибывают в лимфоузел, неся на себе антигены из места поражения. Антигенами в данном случае выступают короткие (от 8 до 20 аминокислот) пептиды из белков инфекционного агента и окружающих тканей. По сути, макрофаг (или специализированный активатор адаптивного иммунитета — дендритная клетка) просто захватывает из места воспаления образцы растворенных белков, ошмётков паразита и погибших клеток и приносит в лимфоузел.

В лимфоузле его встречают наивные (неактивированные) клетки адаптивного иммунитета — Т-лимфоциты. Каждый лимфоцит, выйдя из места своего формирования, несет на себе уникальный рецептор, который формируется путем направленного внесения мутаций в геном. Заранее неизвестно, может ли этот рецептор распознать какой-либо антиген, но его вариантов так много (по некоторым оценкам, у нас может быть до 10 48 разных типов этого рецептора, но большая часть их будет нефункциональна), что в течение нескольких часов в лимфоузле обнаруживается как минимум несколько клеток, способных распознать антигены паразита. Затем эти клетки делятся, активируются и отправляются в поврежденную ткань, где отыскивают свои антигены и уничтожают как самих захватчиков, так и зараженные клетки, если мы говорим о вирусе или внутриклеточной бактерии (рис. 6).

Рисунок 6. Т-лимфоциты (красные) убивают раковую клетку (синяя) своего же организма. После получения сигнала раковая клетка начинает распадаться на небольшие пузырьки, которые затем съедят клетки врожденного иммунитета.

Иммунологическая толерантность

Иммунная система — единственная из систем организма, в чью задачу входит уничтожение других живых существ — отдельных клеток или многоклеточных организмов. Причем наши собственные клетки тоже часто должны уничтожаться, если они заражены вирусом, бактерией или превратились в раковые. При этом необходимо избегать иммунного ответа на нормальные клетки. Если такой ответ развивается — возникает аутоиммунное заболевание.

Периферическая толерантность возникает, когда Т-лимфоцит распознает антиген в лимфоузлах, но никакого воспаления в месте, откуда этот антиген попал в лимфоузел, нет. Напротив, высока концентрация противовоспалительных молекул. Такой лимфоцит опять-таки или уничтожается, или превращается в регуляторный.

Паразиты и симбионты

Миллиарды лет эволюции крупные многоклеточные организмы были домом и едой для более мелких одноклеточных и многоклеточных. Человек тут не исключение — ведь мы являемся как хорошим источником пищи, так и отличным защитником для всего, что сумеет поселиться внутри нас или на нас.

Эволюция поделила этих сожителей на 2 большие группы — паразиты и симбионты. Паразиты делают ставку на быстрое размножение. У них есть возможность подавления врожденного иммунитета, а пока адаптивный активируется, они уже успевают размножиться за счет наших ресурсов и передать инфекцию дальше. Так действует, например, вирус гриппа или бактериальная пневмония.

Симбионты же научились подавлять как врожденный, так и адаптивный иммунитеты. Для этого им пришлось умерить свои аппетиты — если клетки организма постоянно повреждаются, то никакие уловки не смогут предотвратить активацию иммунитета. Потому они поселились на поверхностях нашего тела, прежде всего на поверхности ЖКТ, где они получают лишь часть нашей пищи, но не покушаются на сам организм.

Помимо этого, они научились подавлять воспаление, выделяя вещества, которые похожи на наши противовоспалительные молекулы. Макрофаги врожденного иммунитета, столкнувшись с такими бактериями, могут почувствовать антигены клеточной стенки, но не активируются, так как подавлены противовоспалительным фоном вокруг.

Третьим механизмом защиты стала антигенная мимикрия. Для адаптивного иммунитета основным антигеном являются пептиды из белков. И многие наши симбионты в ходе эволюции поменяли свой белковый состав так, чтобы в нем был максимум пептидов, похожих на наши. Таким образом они встают под защиту регуляторных лимфоцитов. Этот механизм характерен для всех видов наших сожителей — бактерий, червей (рис. 7), вирусов и так далее.

Рисунок 7. Власоглав — один из гельминтов, активно изучаемых в рамках гигиенической гипотезы.

В течение миллионов лет каждая особь нашего вида, рождаясь, сразу же вступала в контакт с симбионтами, населявшими кожу, слизистые и кишечники своих собратьев. Со временем организм научился извлекать выгоду из такого постоянного неустранимого сосуществования. В частности, способность бактерий и червей создавать сильный противовоспалительный фон в месте своего обитания стала за это время ключевым фактором создания периферической толерантности. Она распространилась как на антигены самих сожителей, так и на сопутствующие им — антигены пищи (в кишечнике), пыли и пыльцы (в легких) и собственного организма (те самые антигены, которые сожители развили в ходе антигенной мимикрии).

И снова гигиеническая гипотеза

Особенно сильно на риск развития таких заболеваний влияет первый год жизни. Если в этот период ребенок оказывается в деревне, проводит некоторое время в больших группах сверстников (в больнице или в детском саду) и вообще чаще встречается с инфекциями — риск развития аутоиммунных заболеваний серьезно снижается [11], [12].

Разумеется, не только микробиом (совокупность всех симбиотических микроорганизмов конкретного человека) [13] и гельминты влияют на риск развития аутоиммунных и аллергических реакций. Есть и генетическая предрасположенность, и условия, в которых человек впервые встречается с тем или иным внешним антигеном. Есть некоторые микроорганизмы, которые не защищают, а, напротив, провоцируют аутоиммунные заболевания. Например, стрептококк способен вызывать ревматизм, а некоторые стафилококки производят суперантиген, который неспецифически запускает все клоны Т-лимфоцитов с любым рецептором — это тоже может привести к аутоиммунным заболеваниям.

Таблица. Сводная таблица всех клинических испытаний гельминтной терапии на 2015 год по всему миру. Составлена по [15].

Заболевание	Количество исследований	Общее количество пациентов	Результаты
Болезнь Крона	6	543	Показана безопасность и статистически значимые улучшения у большинства пациентов.
Неспецифический язвенный колит	3	192	Показана безопасность и статистически значимые улучшения у большинства пациентов.
Рассеянный склероз	6	156	Показана безопасность, статистически значимые улучшения у части пациентов.
Непереносимость глютена (целиакия)	2	35	Исследования только начались
Расстройства аутического спектра	3	90	Пилотное исследование показало эффективность, подтверждающие только начаты
Псориаз	3	55	Исследования только начались
Аллергия на арахис	1	18	Исследования только начались
Бронхиальная астма	1	32	Зафиксированы статистически недостоверные улучшения
Аллергический риноконъюнктивит	2	130	Эффективность не показана
Ревматоидный артрит	1	50	Исследование только началось

Что же делать нам, простым смертным, пока ученые по кусочкам разбирают эту тайну и ищут решение? Начать стóит со снижения маниакального стремления к чистоте во всем. Я не предлагаю не мыть руки перед едой. Но довольно часто в последнее время мы перегибаем палку. Антибиотики при каждом чихе, асептические спиртосодержащие гели каждые 10 минут, антибактериальное мыло вместо обычного в ванной. Все эти меры способны спасти вас от эпидемии. Но каждодневное их применение, особенно детьми, способно нанести куда больший урон, чем грипп или пищевое отравление.

Обзор

Многообразие мобильных генетических элементов

Автор

Редакторы

Организмы и геномы можно таким образом расценивать как секции биосферы, по которым гены глобально циркулируют с различной интенсивностью, и в которые персональные гены и опероны могут включаться, если они предоставляют достаточные преимущества.
K. Jeon и J. Danielli [1]

Основные сокращения

МГЭ мобильные генетические элементы ГГП горизонтальный генетический перенос ОРС открытая рамка считывания, последовательность нуклеотидов между инициирующим и терминирующим кодонами гена ori T место начала переноса цепи плазмидной ДНК при мобилизации ori V место начала репликации (копирования, воспроизводства) плазмидной ДНК rep ген белка-инициатора репликации многих бактериальных плазмид

Вирусы: суперпаразиты и помощники

В 2012 году охарактеризовали интегрированную в ДНК мимивирусов форму вирофага и даже новый класс МГЭ — трансповироны, способные встраиваться в ДНК и мимимирусов, и вирофагов [7]. Подобно бактериофагам, переносящим гены от одних бактерий к другим, вирофаги могут играть важную роль в ГГП между разными группами вирусов и их хозяевами.

Многие профаги кодируют факторы вирулентности, трансформируя нетоксигенные бактерии в агентов-убийц: профаг CTXphi из Vibrio cholerae кодирует холерный токсин, а упомянутый выше P22 — ферменты конверсии О-антигена сальмонеллы, позволяя ей уходить от иммунного надзора.

В составе фагов обнаруживают другие МГЭ (например, транспозоны, несущие гены антибиотикорезистентности) и их модули (системы репликации и переноса конъюгативных плазмид). Самый известный пример слияния модулей фагового и плазмидного происхождения — фаг Р1, способный реплицироваться и длительно поддерживаться вне хромосомы, ничем не отличаясь от плазмиды. Профаги разных бактерий детально рассмотрены в обзоре [8].

Плазмиды — маленькие гиганты больших процессов

Плазмиды — внехромосомные двуцепочечные молекулы ДНК, способные к длительному автономному существованию в клетках прокариот и некоторых эукариот. Чаще всего плазмидные ДНК суперскручены и ковалентно замкнуты в кольцо, однако у актиномицетов и спирохет встречаются и линейные формы, что обычно сочетается с линейной организацией хромосом. Размер плазмид обычно варьирует от 0,85 т.п.н. (pRKU1 из Thermotoga petrophila) до 600 т.п.н., но у бруцелл и ризобий описаны мегаплазмиды размером более 1 млн п.н., что иногда делает вопрос их дифференцировки от дополнительных хромосом риторическим [9]. Элиминация мегаплазмид, в отличие от хромосом, обычно не вызывает фатальных для бактериальной клетки последствий, однако вместе с плазмидами могут утратиться такие важные функции, как способность к фиксации азота и формированию симбиотических клубеньков (у ризобий).

На долю плазмидной ДНК может приходиться 1–15% наследственной информации бактериальной клетки, однако известны случаи, когда плазмидами контролируется до 25% (у некоторых Archaea) и даже до 40% информации (2 мегаплазмиды размером около 1,4 и 1,6 млн п.н. у Sinorhizobium meliloti).

Плазмидами часто мобилизуются сосуществующие с ними в одной клетке неконъюгативные МГЭ (но обладающие как минимум сайтом начала переноса oriT, а чаще и генами mob) и даже хромосомы. Мобилизация генов хромосомы возможна в случае интеграции в неё конъюгативной плазмиды. Это возможно, когда в обеих молекулах присутствуют одинаковые инсерционные последовательности (IS-элементы), обеспечивающие гомологичную рекомбинацию (типичный пример — F-фактор E.coli). Однако интеграция может быть и RecA-независимой, если плазмида кодирует тирозиновую интегразу (плазмиды стрептомицетов pSE101, pSAM2 и псевдомонад pKLK106). В этом случае интеграция чаще происходит в гены тРНК, но в некоторых хозяевах эта закономерность нарушается [3].

Транспозоны — универсальные генетические челноки

Транспозоны — МГЭ, перемещающиеся как в пределах одной молекулы ДНК, так и между разными репликонами одного генома (конъюгативные транспозоны — и между геномами). Фланкированы инвертированными повторами, а в центральной части содержат гены, ответственные за перемещение. Транспозоны прокариот подразделяют на IS-элементы, Tn-элементы и Mu-подобные фаги [10].

Интегроны — природные системы клонирования и экспрессии

В процессе перемещения от одного интегрона к другому или от одного сайта в интегроне к другому сайту, генная кассета существует как автономная и неспособная к репликации двунитевая кольцевая молекула ДНК. Кассеты, захватываемые интегронами и суперинтегронами, могут содержать гены факторов патогенности, метаболических путей, детерминанты антибиотико- и дезинфектантоустойчивости или гены рестрикционных ферментов. Интеграза IntI катализирует сайт-специфическую рекомбинацию между сайтами attI и attC, в результате чего происходит интеграция или вырезание кассеты. Множество событий интеграции ведет к образованию мультикассетных рядов, в которых все кассеты фланкированы attC-сайтами. Известны хромосомные суперинтегроны, включающие до 179 генных кассет (у Vibrio cholerae), однако среди клинически значимых бактерий большинство интегронов содержит до 5–8 генных кассет. Наиболее эффективно экспрессируются кассеты, расположенные ближе к промотору, но изменение селективного давления может способствовать перестройкам в составе интегрона.

Рисунок 3. Интегрон — ДНК, улавливающая генные кассеты и распространяемая в составе более высокоорганизованных МГЭ. а — Структура интегрона класса 1. P_int — промотор интегразы, P_ant — промотор кассет антибиотикорезистентности. Остальные элементы объяснены в тексте; б — Иерархическая организация МГЭ.

Все интегроны, несущие кассеты антибиотикорезистентности, разделяют на 5 классов на основании гомологии последовательностей кодируемых ими интеграз. Большинство интегронов антибиотикорезистентности относится к классу 1 (часто ассоциированы с Tn21-семейством). Они включают два концевых невариабельных региона, называемых константными последовательностями (constant sequences, CS), и высоковариабельный центральный участок. В одном конце интегрона (5’-CS), обычно находятся intI, attI и промотор, от которого экспрессируются гены кассеты. В другом конце (3’-CS), находится часть гена qacEΔ1, который, будучи интактным, несёт устойчивость к четвертичным аммониевым соединениям. За ним расположен ген sul, определяющий резистентность микроорганизма к сульфаниламидам, и 1–2 гена с неустановленной функцией — orf5 и иногда orf6 (рис. 3, а). Интегроны класса 2 ассоциированы с Tn7-семейством, классов 3 и 5 — с плазмидами, класса 4 — с конъюгативным геномным островом SXT Vibrio cholerae.

Рисунок 4. Схематическое изображение структуры геномного острова в составе бактериальной хромосомы. DR — прямые повторы ДНК хромосомы, фланкирующие ГО; IS — инсерционные элементы.

Геномные острова гонококков (GGI) кодируют систему секреции типа IV (T4SS), родственную плазмидным системам конъюгационного переноса. Посредством T4SS распространяется не только сам элемент и его продукты, но секретируется в окружающую среду и хромосома Neisseria gonorrhoeae, которая затем может трансформировать другие бактерии и участвовать в рекомбинационных событиях.

Главные нарушители границ и их мекка

Из обитателей отстойников, а что самое опасное — из бактерий вод, уже прошедших очистку, — в большом количестве выделяют плазмиды IncP-1-группы несовместимости (в системе классификации плазмид псевдомонад) [12]. Эти относительно небольшие молекулы дарят хозяевам массу селективных преимуществ (от множественной резистентности до биодеградации хлорорганики) и способны распространяться не только среди псевдомонад, но и практически всех грамотрицательных и некоторых грамположительных бактерий. Кроме того, они способны мобилизовать неконъюгативные R-плазмиды (например, IncP-4) к переносу в ещё более широкий спектр бактерий, а также в дрожжи и клеточные линии млекопитающих [17].

Биология плазмид в России и за рубежом. Что же можно возвести на крепком фундаменте?

Читайте также: