stringtranslate.com

Аллораспознавание

Видео создано на основе изображений желудочно-сосудистых каналов (красный) в двух колониях Hydractinia symbiolongicarpus , которые соприкасаются, а затем разделяются. Зеленые структуры — это полипы .

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

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 ]

Проблема безбилетника

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]

Явления аллорепознания

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]

Врожденная и адаптивная иммунная система

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]

Краткое содержание

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.

Сноски

  1. ^ Джейнвей, Чарльз А.; Меджитов, Руслан (01.01.2002). «Врожденное иммунное распознавание». Ежегодный обзор иммунологии . 20 : 197–216. doi :10.1146/annurev.immunol.20.083001.084359. ISSN  0732-0582. PMID  11861602. S2CID  39036433.
  2. ^ Аб Дзик, Дж. М. (2010). «Происхождение и кумулятивная эволюция иммунных реакций». Акта Биохимика Полоника . 57 (4): 443–466. дои : 10.18388/abp.2010_2431 . ПМИД  21046016.
  3. ^ Басс, Лео (2006). Эволюция индивидуальности . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-08469-5.
  4. ^ Гросберг Р.К., Стратманн Р.Р. (2007). «Эволюция многоклеточности: незначительный крупный переход?». Ежегодный обзор экологии, эволюции и систематики . 38 : 621–654. doi : 10.1146/annurev.ecolsys.36.102403.114735. S2CID  13975813.
  5. ^ аб Аанен Д.К.; Дебец AJM; де Виссер JAGM; Хоекстра РФ (2008). «Социальная эволюция соматического слияния». Биоэссе . 30 (11–12): 1193–1203. doi : 10.1002/bies.20840. ПМИД  18937373.
  6. ^ Гросберг Р.К., Стратманн Р.Р. (1998). «Одна клетка, две клетки, красная клетка, синяя клетка: сохранение одноклеточной стадии в истории жизни многоклеточных» (PDF) . Тенденции в экологии и эволюции . 13 (3): 112–6. дои : 10.1016/S0169-5347(97)01313-X. ПМИД  21238226.
  7. ^ У растений есть третья, физическая линия защиты. У животных рак может распространяться через систему кровообращения на другие части организма. У растений нет такой системы кровообращения, и их клетки фиксированы на месте. Следовательно, опухоли у растений (известные как галлы ) обычно ограничиваются небольшой частью растения.
  8. ^ Шерман Л.А., Чаттопадхьяй С. (1993). «Молекулярные основы аллорепознания». Ежегодный обзор иммунологии . 11 : 385–402. дои : 10.1146/annurev.iy.11.040193.002125. ПМИД  8476567.
  9. ^ Гиббс К.А., Урбановски М.Л., Гринберг Э.П. (2008). «Генетические детерминанты самоидентичности и социального признания у бактерий». Наука . 321 (5886): 256–9. Бибкод : 2008Sci...321..256G. дои : 10.1126/science.1160033. ПМК 2567286 . ПМИД  18621670. 
  10. ^ Бенабентос, Р.; Хиросе, С.; Сукганг, Р.; Курк, Т.; Като, М.; Островский, Е.А.; Штрассманн, Дж. Э.; Квеллер, округ Колумбия; Зупан, Б.; Шаульский Г.; Куспа, А. (2009). «Полиморфные члены семейства запаздывающих генов опосредуют родственную дискриминацию у Dictyostelium». Современная биология . 19 (7): 567–572. дои : 10.1016/j.cub.2009.02.037. ПМК 2694408 . ПМИД  19285397. 
  11. ^ Хиросе, С., Бенабентос, Р., Хо Х.И., Куспа А., Шаульский Г. (2011). «Самораспознавание у социальных амеб опосредовано аллельными парами генов тигра». Наука . 333 (6041): 467–70. Бибкод : 2011Sci...333..467H. дои : 10.1126/science.1203903. ПМК 3142563 . ПМИД  21700835. 
  12. ^ Фрейзер Дж. А., Хейтман Дж. (2004). «Эволюция половых хромосом грибов». Молекулярная микробиология . 51 (2): 299–306. CiteSeerX 10.1.1.474.9652 . дои : 10.1046/j.1365-2958.2003.03874.x. PMID  14756773. S2CID  2467616. 
  13. ^ Гласс Н.Л., Джейкобсон DJ, Шиу ПК (2000). «Генетика слияния гиф и вегетативной несовместимости нитчатых аскомицетов» (PDF) . Ежегодный обзор генетики . 34 : 165–186. doi :10.1146/annurev.genet.34.1.165. ПМИД  11092825.
  14. ^ Такаяма С., Исогай А. (2005). «Самонесовместимость у растений». Ежегодный обзор биологии растений . 56 : 467–489. doi : 10.1146/annurev.arplant.56.032604.144249. PMID  15862104. S2CID  1196223.
  15. ^ аб Розенгартен Р.Д., Никотра М.Л. (2011). «Модельные системы аллораспознавания беспозвоночных». Современная биология . 21 (2): Р82–Р92. дои : 10.1016/j.cub.2010.11.061 . PMID  21256442. S2CID  2150367.
  16. ^ Купер, доктор медицинских наук, Алдер, Миннесота (2006). «Эволюция адаптивных иммунных систем». Клетка . 124 (4): 815–822. дои : 10.1016/j.cell.2006.02.001 . PMID  16497590. S2CID  16590222.