Иммунная система кораллов работает против них

Одна из важных задач, стоящих сейчас перед биологами, — разобраться в том, как и когда появилась иммунная система, а также — какими путями шло ее постепенное усложнение и совершенствование. Все-таки, несмотря на то, что люди болеют довольно часто, нельзя не признать, что наш иммунитет — это довольно эффективная защита от бесчисленных внешних патогенов и «внутренних» проблем. Ответы на эти вопросы важны и для уточнения общих представлений об эволюции жизни на Земле, и для практического применения в медицине: часто бывает, что расшифровка какого-нибудь механизма взаимодействия иммунных клеток между собой или с антигенами открывает новые возможности для лечения серьезных заболеваний (см., например, В иммунной системе человека найден аналог химического синапса, «Элементы», 03.08.2017).

Поэтому вполне объяснимо, что довольно много работ по молекулярной биологии и биоинформатике посвящено исследованию иммунной системы беспозвоночных. Ее наличие у представителей разных типов животных, которые объединяют в эту группу, известно уже довольно давно (см.: Раскрыта тайна иммунной системы насекомых, «Элементы», 27.06.2006, Брачная песня дрозофилы запускает экспрессию генов иммунной защиты, «Элементы», 14.03.2012). Иммунная система беспозвоночных — неспецифическая, то есть не способна (в отличие от иммунной системы позвоночных) формировать специфические антитела к конкретному инфекционному агенту. Она представлена особыми белками-рецепторами, которые могут распознавать некоторые чужеродные агенты и запускают клеточные сигнальные каскады, приводящие к их разрушению. Однако до сих пор мы полностью не знали, из чего состоит иммунная система даже у таких относительно просто устроенных и хорошо изученных организмов, как кораллы.

С развитием генетических методов и постоянным увеличением числа видов, геном которых уже секвенирован, задача поиска генов, ответственных за работу какой-либо системы организма, постепенно упрощается: можно отсеквенировать геном интересующего животного (если это еще не сделано) и попытаться с помощью методов биоинформатики найти в нем гены, кодирующие белки, которые могут участвовать в работе этой системы, или поискать аналоги таких генов у близкородственных организмов.

В недавней статье, вышедшей в журнале Scientific Reports, заявлено о секвенировании и аннотировании (то есть определении всех генов и предсказании их функции, см. DNA annotation) генома одного из самых распространенных кораллов — Pocillopora damicornis (рис. 1).

Геномы некоторых видов кораллов были отсеквенированы и ранее, однако P. Damicornis относится к отряду мадреподовых кораллов (Scleractinia) — самому обширному среди всех кораллов, а кораллы, исследованные до этого — к другим отрядам класса Anthozoa (в которые объединены все коралловые полипы). Удивительно, но только у P. damicornis в геноме нашлись гены, похожие на гены иммунной системы других беспозвоночных: были определены гены, связанные с защитой против вирусов, гены, задействованные в работе сигнального пути NF-κB, задействованного в работе неспецифического иммунитета, факторы, связанные с рецепторами некроза опухоли, которые участвуют в развитии воспаления и многих других иммунных процессах. Нашлись и гены, белковые продукты которых участвуют в иммунных процессах, по-видимому, уникальных для кораллов. Однако понять, что же это за механизмы и как они работают, пока не удалось.

С учетом найденных иммунных генов P. damicornis, исследователи обратились к уже секвенированным геномам других кораллов в поисках генов, имеющих отношение к иммунной системе. Дело в том, что гены иммунитета у других кораллов раньше не удавалось выявить из-за того, что они слишком сильно отличались от известных генов беспозвоночных из других групп. Так что коралл P. damicornis выступил своего рода «мостиком», который удалось перекинуть между кораллами и другими таксонами беспозвоночных, и помог «выловить» некоторые гены иммунитета у других видов кораллов. Действительно, поиски увенчались успехом: например, у коралла Acropora digitifera нашлись белки, сходные с NOD-подобными рецепторами — белками, играющими важнейшую роль в распознавании патогенов и активации неспецифического иммунного ответа. Так или иначе связанные с иммунной системой гены удалось выявить и у остальных кораллов с известными последовательностями геномов.

У работы по изучению иммунитета кораллов есть и еще один важный аспект. Во второй половине XX века коралловые рифы гибнут и разрушаются ускоряющимися темпами. Так или иначе страдает большинство рифов (порядка 19% за последние десятилетия вымерли, а более 60% из оставшихся находятся в крайне уязвимом состоянии). Даже Большой барьерный риф здесь, к сожалению, не исключение (по некоторым оценкам его судьба уже предрешена: к середине XXI века он тоже вымрет). Важно понимать, что рифы — это совершенно особая экосистема, в которой сосуществуют разнообразные водоросли, беспозвоночные и позвоночные животные (занимая суммарно меньше 1% площади Мирового океана, кораллы служат домом для 25% всех морских видов), и их исчезновение станет настоящей катастрофой.

К основным негативным факторам, влияющим на кораллы, относят общее потепление воды в тропических регионах, снижение содержания кислорода в воде (вызванное ростом численности зоопланктона из-за перевылова рыбы), заиливание и загрязнение воды химикатами и т. д. Такая чувствительность, особенно к температуре, связана с важнейшей особенностью кораллов: в их телах обитает колоссальное количество симбиотических водорослей зооксантелл (рис. 2). Кораллы дают водорослям надежное убежище и углекислый газ, необходимый для фотосинтеза. В свою очередь, водоросли обеспечивают своих хозяев кислородом и питательными веществами, которые выделяют в ходе фотосинтеза, а также помогают кораллам выводить отходы жизнедеятельности.

Зеленовато-желтые клетки водорослей в коралловых полипах. Фото с сайта schaechter.asmblog.org

Именно эти водоросли, населяющие ткани кораллов, так чувствительны к температуре и другим параметрам океанической воды. Повышение температуры снижает эффективность фотосинтеза, причем порой до такой степени, что клетки водорослей погибают. Их гибель вызывает обесцвечивание кораллов (см. Coral bleaching): коралловые полипы теряют большую часть живущих в них водорослей, которые и придают полипам цвет (рис. 3, см. новость Кораллы обесцвечиваются из-за утраты взаимопонимания, «Элементы», 29.01.2009). Обесцвеченные кораллы могут некоторое время жить, но без помощи водорослей полипы слабеют и становятся практически беззащитными. В принципе, обесцвеченный коралл может восстановиться, но это очень сложный, медленный и непредсказуемый процесс, который может происходить лишь при оптимальных для жизнедеятельности коралла условиях (Погибшие коралловые рифы постепенно восстанавливаются, «Элементы», 11.02.2015).

Обесцвечивание кораллов. Фото с сайта vox.com

Некоторое время назад в журнале Communications Biology вышла статья, в которой предлагается детальное объяснение механизма обесцвечивания кораллов. Ее автор, Кэролайн Палмер (Caroline V. Palmer) из Плимутского университета (Англия), описывает теорию, согласно которой это происходит из-за реакции иммунной системы кораллов.

Почему кораллы так спокойно относятся к разнообразным одноклеточным организмам, обитающих в их тканях, хотя имеют развитую иммунную систему? По-видимому, эту особенность можно рассматривать как аналогичную тому, что иммунитет высших животных и растений не реагирует на митохондрии и пластиды в их клетках. Похоже, у кораллов имеется какая-то особая система, контролирующая численность симбионтов в тканях. Более того, она, вероятно, регулирует их отношения друг с другом, уничтожает нефункциональные клетки водорослей и активирует образование новых при особых условиях. Увы, что это за система и как она работает, пока еще доподлинно неизвестно.

Среди белков иммунной системы у кораллов, геномы которых секвенированы на сегодняшний день, имеются различные рецепторы, распознающие характерные для патогенов мотивы: Toll-подобные рецепторы, рецепторы Toll/интерлейкин-1 и лектины. Они распознают так называемые молекулярные паттерны, ассоциированные с микробами (Microbe Associated Molecular Patterns, MAMPs) и активируют сигнальные пути, которые запускают иммунный ответ. Кроме того, существуют особые молекулярные сигналы, свидетельствующие о повреждениях самого организма, — так называемые DAMPs (англ. Damage Associated Molecular Patterns). DAMPs чаще всего представляют собой обрывки клеток и тканей, образовавшиеся в результате инфекции, физического воздействия и других неблагоприятных факторов. Они распознаются иммунной системой как тревожный сигнал, так как несут молекулы или их фрагменты, которые отсутствуют на поверхности нормальных, неповрежденных тканей.

Решение о запуске иммунного ответа принимается в зависимости от баланса этих типов молекул внутри коралла. Кроме того, благодаря тому, что для запуска иммунного ответа у кораллов нужны и DAMPs, и MAMPs, в нормальных условиях одноклеточные сожители иммунного ответа у коралла не вызывают: у них есть MAMPs, но DAMPs они не образуют. Но если в результате физического воздействия клетки симбионтов разрушаются, то есть образуются DAMPs в придачу к MAMPs, коралл решает, что в него вторгся патоген, и запускает иммунный ответ против своих же друзей. Иногда в результате такой реакции коралл избавляется от всех своих эндосимбионтов, в том числе фотосинтетических водорослей, — так и происходит обесцвечивание кораллов.

Таким образом, хотя обесцвечивание часто рассматривают как выражающийся в вымирании клеток эндосимбионтов ответ на стрессовые воздействия (например, слишком высокой температуры воды), эта реакция, скорее всего, связана с работой иммунной системы. Если это действительно так, то помочь остановить вымирание кораллов может изучение механизмов работы их иммунной системы.

Елизавета Минина