Аллораспознавание — это способность отдельного организма отличать свои ткани от тканей другого. Оно проявляется в распознавании антигенов, экспрессируемых на поверхности клеток несамостоятельного происхождения. Аллораспознавание описано почти у всех многоклеточных типов.
В данной статье основное внимание уделяется аллорераспознаванию с точки зрения его значения в эволюции многоклеточных организмов. Для других статей, посвященных его важности в медицине, молекулярной биологии и т. д., рекомендуются следующие темы, а также темы, указанные в ссылках «Категории» внизу этой страницы.
Способность различать свое и чужое является фундаментальным требованием для жизни. На самом базовом уровне даже одноклеточные организмы должны уметь различать пищу и непродовольственную пищу, адекватно реагировать на вторжение патогенов и избегать каннибализма. В организмах, размножающихся половым путем, распознавание себя и чужого имеет важное значение для обеспечения видоспецифичного взаимодействия яйцеклетки и сперматозоида во время оплодотворения. Гермафродитным организмам, таким как кольчатые черви и некоторые растения, требуются механизмы распознавания, чтобы предотвратить самооплодотворение. Все эти функции выполняет врожденная иммунная система , которая использует эволюционно консервативные рецепторы распознавания образов для уничтожения клеток, демонстрирующих «чужие маркеры». [1]
Эволюция многоклеточности привела к возникновению различных проблем, многие из которых могли быть решены с помощью все более совершенных врожденных иммунных систем, но которые также послужили эволюционной движущей силой для развития адаптивных иммунных систем . Адаптивная или «специфическая» иммунная система в ее полностью квалифицированной форме ( т.е. на основе главного комплекса гистосовместимости (MHC), Т-клеточных рецепторов (TCR) и антител ) существует только у челюстных позвоночных , но независимо развившаяся адаптивная иммунная система была выявлен у миксин и миног (бесчелюстных позвоночных). [2]
Многоклеточность возникала независимо десятки раз в истории жизни у растений, животных, грибов и прокариот [3] , впервые появившись несколько миллиардов лет назад у цианобактерий . Раннему развитию многоклеточного существования приписывают две категории преимуществ: преимущества, связанные с размером, и преимущества, связанные с функциональной специализацией и разделением труда. [4] Преимущества размера могут включать более высокую эффективность кормления или повышенную надежность. Например, миксобактерии , перемещаясь стаями, способны поддерживать высокую концентрацию внеклеточных ферментов, используемых для переваривания пищи, от чего получают пользу все бактерии в рое. В различных условиях многие микроорганизмы образуют биопленки , обеспечивающие им защищенную среду. У организмов, развивших функциональную специализацию, в процессе размножения может существовать важное разделение труда: лишь небольшая часть клеток вносит вклад в следующее поколение. Соматический рост представляет собой форму альтруизма, при которой соматические клетки отказываются от размножения, помогая размножаться зародышевым клеткам. [ нужна цитата ]
Внеклеточные ферменты, выделяемые роящимися бактериями, слизь биопленки или клетки сомы в дифференцированном организме представляют собой общественные блага, которые уязвимы для эксплуатации мошенниками. [5] Эта проблема хорошо известна в экономике и эволюционной биологии как « проблема безбилетника » или « трагедия общего пользования ». Безбилетник (или нахлебник) — это человек, который потребляет ресурс, не платя за него, или платит меньше полной стоимости. В многоклеточных организмах мошенники могут возникать в результате мутаций в соматических клетках, которые больше не приносят пользы общему благу, или игнорируют контроль над их размножением. Другая возможность может возникнуть в результате соматического слияния: существуют многоклеточные образы жизни, при которых физические барьеры для смешения клеток практически отсутствуют (например, губки, грибной мицелий), и даже среди организмов, у которых развились физические покровы, представляющие собой первую линию защита от вторжения, появляются возможности для клеточного обмена. Свидетельством тому, например, является распространение опухолевой болезни на лице среди тасманских дьяволов и трансмиссивной венерической опухоли у собак. [ нужна цитата ]
У многоклеточных животных защита от нарушения многоклеточного образа жизни такими мошенниками принимает две основные формы. Во-первых, характерной чертой многоклеточного жизненного цикла является наличие одноклеточной фазы даже среди организмов, основной способ размножения которых может заключаться в многоклеточных вегетативных побегах. [6] Эта одноклеточная фаза обычно принимает форму зиготы, произведенной половым путем. Прохождение через одноклеточное узкое место гарантирует, что каждый представитель следующего поколения организмов представляет собой отдельный клон. Некоторые потомки будут нести большое количество вредных мутаций и умрут, тогда как другие потомки будут нести их мало. Таким образом, организм обходит « трещотку Мюллера » — процесс, посредством которого геномы бесполой популяции необратимо накапливают вредные мутации. Вторая защита от мошенников — это развитие механизмов аллораспознавания, которые защищают от вторжения паразитических репликаторов. [7] Аллораспознавание действует как агент родственного отбора, ограничивая слияние и признание сообщества родственными людьми. Если родственные особи сливаются, преимущества от слияния по-прежнему будут действовать, в то время как издержки конкуренции за общие ресурсы или репродуктивные возможности уменьшатся на долю, пропорциональную степени родства между сливающимися партнерами. [5] Если неродственные особи сливаются или если внутри организма возникает мутировавшая клетка, которая отличается от себя системой аллорепознания, активируется реакция отторжения. Как правило, отторжение опосредуется генными продуктами высоковариабельных локусов, которые должны совпадать (или почти совпадать) между организмами, чтобы слияние было успешным. [8]
Феномены аллореопознания были обнаружены в системах бактериальной самоидентификации и социального распознавания, [9] родственной дискриминации у социальных амеб, [10] [11] типах спаривания грибов, [12] грибной вегетативной несовместимости, [13] системах самонесовместимости растений, [14] колониальные морские беспозвоночные (такие как кораллы, губки, гидроиды, мшанки и асцидии) [15] и, конечно, позвоночные. Способы проявления аллореопознания в этих различных системах сильно различаются. Бактерии, например, выделяют бактериоцины — белковые токсины, специально нацеленные против представителей своего вида. Колонии морских беспозвоночных, каждая из которых представляет один генотип, распространяются по дну океана путем бесполого размножения. Там, где колонии встречаются, они могут, если совместимы, слиться в единое целое, а если несовместимы, они могут агрессивно пытаться зарастить, отравить, ужалить или поглотить друг друга. [15]
Иммунитет позвоночных зависит как от адаптивной, так и от врожденной иммунной системы. У позвоночных врожденная иммунная система состоит из таких клеток, как нейтрофилы и макрофаги (которые также играют роль в адаптивной иммунной системе в качестве антигенпредставляющих клеток ), а также молекулярных путей, таких как система комплемента , которые реагируют на чужеродные микроорганизмы. . Врожденная иммунная система обеспечивает быструю воспалительную реакцию, которая сдерживает инфекцию, и активирует адаптивную иммунную систему, которая уничтожает возбудитель и посредством иммунологической памяти обеспечивает долговременную защиту от повторного заражения. [ нужна цитата ]
Комплексные поиски последовательностей в нескольких таксономических группах не смогли идентифицировать MHC и TCR за пределами челюстных позвоночных. Аллораспознавание у этих животных основано на молекулярных механизмах, отличных от механизмов челюстных позвоночных. У губок идентифицированы различные рецепторы (молекулы адгезии губок, рецепторная тирозинкиназа) с доменами, сходными с обнаруженными в иммуноглобулинах . В этих рецепторах была выявлена изменчивость последовательностей в «горячих точках». [2] Похоже, что молекулы, которые на более поздних этапах эволюции использовались в адаптивном иммунном ответе, раньше играли роль во врожденном распознавании. У миног и миксин, по-видимому, в результате конвергентной эволюции развился адаптивный иммунный ответ, который независим и отличается от адаптивных иммунных систем высших позвоночных. Лимфоцитоподобные клетки этих рыб экспрессируют высоковариабельные гены рецепторов лимфоцитов , которые подвергаются соматическим перестройкам, напоминающим способ, которым гены иммуноглобулинов млекопитающих перестраиваются во время развития. [16]
Подводя итог, можно сказать, что аллорераспознавание, способность отличать свое от чужого, является основой всей жизни, как одноклеточной, так и многоклеточной. Самые ранние системы распознавания были врожденными и основывались на распознавании собственных молекул. Эволюция многоклеточных форм привела к селективному давлению, направленному на постоянное усложнение систем врожденного иммунитета. Адаптивные иммунные системы, основанные на распознавании чужого, возникли независимо у двух линий хордовых и используют молекулы и клеточные системы, которые ранее играли роль во врожденных иммунных реакциях. Аллораспознавание, существующее в настоящее время у млекопитающих, можно проследить как результат последовательной модификации механизмов иммунитета, восходящих к некоторым из самых ранних многоклеточных организмов.