Vi khuẩn thừa kế miễn dịch mắc phải • Elena Naimark • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Di truyền học, Tiến hóa

Vi khuẩn kế thừa miễn dịch mắc phải

Vi khuẩn tự bảo vệ khỏi virus, cố gắng xác định ký sinh trùng ngay cả trước khi chúng đưa DNA vào tế bào. Nhưng nếu nhiễm trùng xảy ra, vi khuẩn sẽ sử dụng một loại bảo vệ khác; nó được cung cấp bởi sự hiện diện của một locus CRISPR đặc biệt trong tế bào. Ảnh từ www.hybridmedicalanimation.com

Trong những năm gần đây, các nhà sinh vật học đã tích cực khám phá một loại miễn dịch mới được phát hiện đặc biệt trong vi khuẩn và xương cổ. Đáp ứng miễn dịch được cung cấp bởi RNA đặc biệt có gen nằm trong locus đặc biệt, gọi là CRISPR. Những RNA này nhận ra DNA ngoại lai và giúp tiêu diệt nó. Điều đáng chú ý là với sự ra đời của một loại virus mới, các gen tương ứng mới được hình thành trong hệ thống CRISPR trong một vi khuẩn bị nhiễm bệnh, và tế bào gốc chuyển giao khả năng miễn dịch thu được bằng sự kế thừa. Hệ thống CRISPR cũng có một cơ chế tích hợp để bảo vệ DNA của chính nó khỏi sự hủy diệt tự động.

Miễn dịch giúp tất cả chúng sinh đối phó với sự ra đời của các tác nhân ngoài hành tinh, kể cả ký sinh trùng. Hệ miễn dịch là một bộ máy sinh hóa phức tạp; ở các loài động vật cao hơn, nó nhằm vào sự nhận biết nhanh chóng của ký sinh trùng và tăng cường sản xuất các kháng thể giúp trung hòa nó.Liên kết quan trọng nhất trong máy miễn dịch xương sống – sản xuất các kháng thể đặc hiệu, cần thiết – là một phát minh dí dỏm của thiên nhiên: trong số hàng triệu tế bào lympho có sẵn, một hoặc một số được chọn có protein bề mặt bổ sung cho kháng nguyên của ký sinh trùng được giới thiệu. Sự hình thành phức hợp kháng nguyên kháng nguyên gây ra sự sinh sản nâng cao của loại tế bào lympho này, cung cấp phản ứng miễn dịch nhanh.

Nguồn gốc của sự đa dạng đáng chú ý của các tế bào lympho là vô số sự kết hợp của một số đoạn ngắn của chuỗi nucleotide mà từ đó các gen kháng thể được tập hợp trong một tế bào lympho trưởng thành. Vì vậy, tế bào không cần phải lưu trữ các gen riêng biệt cho mỗi kháng thể, bạn có thể lưu trữ một tập hợp các khoảng trống, và sau đó, khi cần thiết, chọn sự kết hợp mong muốn của khoảng trống. Cha mẹ cung cấp cho con cháu chính xác bộ khoảng trống. Do đó, khả năng miễn dịch thu được cho cuộc sống không thể được thừa hưởng, chỉ có cơ hội để có được nó được thừa hưởng. Đây là trường hợp có động vật có xương sống.

Trong động vật không xương sống và thực vật, khả năng miễn dịch chủ yếu là bẩm sinh (xemThực vật miễn dịch), và nếu có những yếu tố miễn dịch mắc phải, thì các tác nhân bảo vệ phát triển trong suốt cuộc đời của sinh vật không được chuyển từ cha mẹ sang hậu duệ – chỉ có khả năng sản xuất chúng được thừa hưởng. Tuy nhiên, vi khuẩn và vi khuẩn, trong các nghiên cứu của những năm gần đây, có thể vượt qua khả năng miễn dịch thu được, qua đó chứng minh một trong những trường hợp hiếm hoi của sự thừa kế “Lamarck” (xem Thừa kế các đặc điểm thu được).

Vào năm 2002, một nghiên cứu có hệ thống về các khu vực cụ thể (loci) của bộ gen vi khuẩn bắt đầu, đó là những đoạn lặp ngắn palindromic được sắp xếp theo nhóm (CRISPR, thường xuyên lặp lại các cụm lặp lại liên tục). Những loci này được tìm thấy trong 90% của archaea và 40% vi khuẩn.

CRISPR loci bao gồm một số lặp lại palindromic không cảm động, giữa đó có những khoảng trống – miếng đệm. Một spacer là một đoạn ngắn của DNA của virus hoặc plasmid. Kích thước của một lặp lại CRISPR được tính toán trong 23-47 cặp nucleotide, và miếng đệm – từ 21 đến 72 cặp nucleotide. Số lượng các nhóm lặp lại / spacer có thể đạt tới 375, nhưng thường nhỏ hơn 50. Trong hệ gen vi khuẩn, có thể không có một, nhưng một số locus CRISPR.

Trong vùng lân cận của CRISPR là các gen của các protein đặc biệt gọi là Cas (CRISPR). Cas thường là nuclease, polymerase, protein liên kết nucleotide; Tổng cộng, nhóm này bao gồm khoảng 40 họ protein.

Sự lặp lại các trình tự CRISPR rất bảo thủ trong mỗi loài vi sinh vật, nhưng rất khác nhau giữa các loài với các loài.

Đề án của hai loci Streptococcus thermophiluschứa CRISPR và các gen liên quancas. Màu xám được hiển thị cas– gen màu đen – Trình tự CRISPR. Dưới hình chữ nhật màu đen đưa ra một cấu trúc CRISPR chi tiết. Kim cương đen – đây là những lần lặp lại palindromic, và trắng hình chữ nhật nhỏ – miếng đệm, là một phần của plasmid hoặc DNA của virus. Chữ cái Trình tự nucleotide của chuỗi palindromic được đánh dấu dưới đây, và cấu trúc giống như vòng lặp ở bên phải mô tả cấu trúc thứ cấp của lặp lại palindromic RNA. Hình từ bài viết được thảo luận trong Khoa học

Trong năm 2007, nó đã được thử nghiệm cho thấy rằng Streptococcus thermophilus trong cuộc chiến chống vi-rút khuẩn, nó thay đổi trình tự CRISPR bằng cách hoàn thành một hoặc nhiều đơn vị lặp lại / spacer vào cuối trình tự cũ.Các miếng đệm được thêm vào tương tự như của bộ gen virus. Đồng thời, vi khuẩn có được sức đề kháng với loại vi-rút này. Nếu bạn thay đổi trình tự của các nucleotide của spacer được thêm vào hoặc thậm chí cắt bỏ spacer, thì sức đề kháng đã thu được đối với phage bị mất.

Trong hai năm tới, các nhà khoa học đã chứng minh rằng locus CRISPR phát triển để đáp ứng với hoạt động của virus, do đó thành phần và thứ tự của các miếng đệm chỉ ra lịch sử của các cuộc tấn công virus khác nhau. Vì vậy, sự tương tác với virus và plasmid nước ngoài dẫn đến sự xuất hiện của miễn dịch, được bảo tồn trong một số thế hệ của chủng này. Các nhà khoa học đã gợi ý những gì có thể là cơ chế cho việc mua lại và thừa kế miễn dịch.

Đầu tiên, các protein are có liên quan đến sự hình thành miễn dịch. Ngừng hoạt động cas-gens dẫn đến giảm hoặc mất khả năng tích hợp DNA của virus hoặc plasmid dưới dạng các miếng đệm. Nếu DNA của người ngoài hành tinh thâm nhập vào tế bào, thì các protein Cas trước tiên sẽ nhận ra nó. Sau đó, họ cũng cắt ra một phần của DNA ngoài hành tinh và hoàn thành đơn vị phát lại / spacer trong locus CRISPR. ADN vi khuẩn được cập nhật sau đó thường được nhân đôi và được thừa kế bởi các hậu duệ của loại vi khuẩn này.Trong quá trình phiên mã của CRISPR, một chuỗi RNA (CRISPR-RNA, hoặc crRNA) được hình thành, sau đó được cắt thành các đoạn ngắn gồm hai nửa của một lặp lại palindromic và một spacer giữa chúng. Sự cắt này cũng thực hiện các protein Sas.

Kết quả là một loạt các crRNA ngắn đầy ấn tượng với các miếng đệm virus khác nhau. Trong số đó là một trong số đó đã được vui vẻ mua lại với một nhiễm trùng gần đây. crRNA được kết hợp với một số cas-protein. Nếu virus này xâm nhập vào tế bào một lần nữa, thì ARN mang spacer tương ứng nhận ra vùng bổ sung của DNA virus, và các protein Cas cung cấp cho việc khử hoạt tính và xử lý DNA ký sinh. Nó đi mà không nói rằng sự công nhận của DNA nước ngoài bằng cách sử dụng crRNA là hiệu quả hơn và nhanh hơn so với sự công nhận ban đầu, từ đó sự hình thành của khả năng miễn dịch bắt đầu.

Người ta có thể tưởng tượng rằng với các cuộc tấn công thường xuyên của một loại vi-rút nào đó, đơn vị làm việc tương ứng “lặp lại / spacer” sẽ được duy trì theo thứ tự làm việc trong một số thế hệ (các đột biến gây thiệt hại sẽ bị loại bỏ bằng cách chọn). Nếu ký sinh trùng là hiếm hoặc kỳ lạ, thì đơn vị “lặp lại / spacer” tương ứng sẽ nhanh chóng tích lũy đột biến, ngừng hoạt động hoặc biến mất hoàn toàn.Vì vậy, khả năng miễn dịch của CRISPR là một hệ thống tự điều chỉnh. Sự tương tác giữa vi khuẩn và virus làm cho bộ gen của chúng phát triển cực kỳ nhanh chóng.

Gần đây, các nhà khoa học Mỹ từ Đại học Northwestern (Evanston, Illinois) đã khám phá ra cách vi khuẩn có thể tránh được phản ứng tự miễn dịch khi chức năng crRNA. Theo giả thuyết, các crRNA sẽ nhận biết và hủy kích hoạt một phần của locus gốc CRISPR trong nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Nhưng điều này không xảy ra. Hóa ra không chỉ các miếng đệm liên quan đến việc nhận diện DNA ngoại lai, mà còn cả các đoạn lặp của palindromic hạn chế chất đệm. Nếu, khi ghép nối crRNA với DNA, không chỉ là spacer, mà còn các nucleotide xung quanh hóa ra là bổ sung, crRNA nhận ra DNA “bản địa”, và sự tấn công miễn dịch không xảy ra. Nếu chỉ có bạn bè spRNA spacer, sau đó điều này có nghĩa là một chuỗi người nước ngoài, và sau đó các protein Cas thoát khỏi DNA ký sinh trùng.

Nguồn:
1) Philippe Horvath, Rodolphe Barrangou. CRISPR / Cas, Hệ miễn dịch của vi khuẩn và Archaea // Khoa học. 2010. V. 327. P. 167-170. DOI: 10.1126 / science.1179555.
2) Luciano A. Marraffini, Erik J. Sontheimer. Tự phân biệt đối xử tự do trong thời gian miễn dịch RNA của CRISPR // Thiên nhiên. Ngày 13 tháng 1 năm 2010. Doi: 10.1038 / nature08703.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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