Що спільного у імунітет рослин і тварин?

На що проходив в 1975 р. у Ленінграді XII Міжнародному ботанічному конгресі у американських вчених виник питання: "чому секція, присвячена стійкості рослин до хвороб, названа" Імунітет "? Хіба росіяни знайшли у рослин антитіла? "Відомий японський фітохімік І. Урітані відповів, що назва секції відображає традиції в російській фітопатологічного літературі, що прийшли від М. І. Вавілова, який в 1919 р. написав книгу "Імунітет рослин до інфекційних хвороб". Дійсно, в англомовній фітопатологічного літературі термін "імунітет" зустрічається рідко, частіше пишуть "стійкість" ( "resistance").

Відмінності в розумінні стійкості до інфекційних хвороб у рослин і тварин залежать від двох причин. Перша пов'язана з факторами імунітету в тих і інших організмів. Відомо, що основні успіхи медичної та ветеринарної імунології обумовлені використанням антитіл. Для функціонування цих факторів захисту від інфекції необхідні спеціалізовані клітини і тканини, відповідальні за імунітет, в тому числі гуморальна система, здатна швидко доставити антитіла в будь-яке місце. У рослин і безхребетних тварин диференціювання не настільки висока. Кожна клітина рослини несе всі функції, необхідні для створення цілісного організму, у тому числі і імунні. Численні спроби виявити антитіла у рослин були невдалими.

Друга причина полягає в підході медика і фітопатології до захисту від хвороб. Як писав ще в 1933 р. американський фітопатології К. Честер, "медик переважно зайнятий терапією, фітопатології - профілактикою". У медика і навіть ветеринара незмірно менше підходів для використання спадкового імунітету, ніж у фітопатології, тому в медицині основні успіхи в захисті від інфекцій лежать на шляху імунізації, тобто створення набутого імунітету. Фітопатологія ж має майже необмежені можливості для штучного зараження і відбору стійких екземплярів серед величезних популяцій, а також для гібридизації, інбридингу, мутагенних обробок та ін. Ці переваги і дозволили створити шляхом селекції стійкі до хвороб сорти багатьох рослин.

Таким чином, хворобостійкістю хребетних тварин і рослин відрізняється і по біохімічним механізмам, і за методологічними підходами. Це дало підставу для жартівливого висловлювання відомого іммунохіміка про рівновеликої відстані між трьома видами імунітету - тварин, рослин і дипломатичного (зараз на слуху четвертий - депутатський імунітет).

Однак в міру поглиблення знань про природу хворобостійкістю, особливо з появою методів роботи з рекомбінантними ДНК, розходження в механізмах імунітету рослин і тварин перестали здаватися настільки разючими. Зараз накопичується все більше даних про подібність між ними. Про це і піде мова.

Імуномодулятори патогенних мікроорганізмів

Мікроорганізми, патогенні для тварин і рослин, виділяють в заражені тканини і клітини метаболіти (імуномодулятори), що впливають на імунні реакції. Одні з них, індуктори, або елісітори, господар використовує для розпізнавання чужого і індукції в організмі захисних реакцій. Ці речовини підвищують стійкість як до самих мікробів, продуцента елісіторов, так і до подальшого зараження іншими патогенними організмами, тобто являють собою один з факторів індукованого набутого імунітету. Інші імуномодулятори - імуносупресори, або імпедіни, - навпаки, пригнічують захисні реакції і знижують імунні властивості. І ті, й інші імуномодулятори фіто-і зоопатогенов подібні за своєю будовою та механізму впливу на своїх господарів.

Так, близькі за структурою вуглеводи (b-глюкану, хітин та ін) служать імуномодуляторами і рослин, і тварин. Вуглеводи фітопатогенів в залежності від довжини ланцюга, її конфігурації та генотипу рослини можуть бути або індукторами, або супресора. У тварин дію ліпополісахаридів і пептідоглюканов залежить від їх концентрації: малі дози стимулюють утворення антитіл, великі - пригнічують його.

Серед імуносупресорів або патотоксінов фітопатогенних грибів багато циклічних пептидів. Наприклад, пентапептід паразита вівса Cochliobolus victoriae (HV-токсин) пригнічує активність ферменту гліціндекарбоксілази, що призводить до супресії імунних відповідей, порушення бар'єрних властивостей мембран, загибелі рослинних клітин. У людини мутації цього ферменту викликають летальну хвороба - гіпергліцінемію. Циклічний пептид паразита кукурудзи Cochliobolus carbonae (НС-токсин) являє собою структурний гомолог трапоксіна - інгібітора гістонів в клітинах тварин. Циклоспорин - циклічний ундекапептід грибів з роду Tolypoocladium - Володіє потужним супресорних дією на хребетних тварин: пригнічує синтез важливого міжклітинної медіатора (цитокіну) інтерлейкіну-2 в Т-хелперних клітинах і активізацію цитотоксичних Т-кілерів інтерлейкіном-2. У зв'язку з цим циклоспоріни широко застосовують при пересадці органів, бо вони запобігають імунне відторгнення чужорідної тканини.

Подібні приклади подібності між імуносупресорів рослин і тварин можна знайти і серед білків. Так, білок оболонки вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ, молекулярна маса 17.5 кДа) індукує надчутливий реакцію (некроз заражених клітин) тютюну; він активний лише у вигляді кристалічних агрегатів. Некроз клітин у тварин викликає фактор некрозу пухлини (ФНП, молекулярна маса 17 кДа), що продукується Т-лімфоцитами і макрофагами; він активний у вигляді агрегату з трьох молекул і має гомологічні послідовності амінокислот зі структурним білком сателіта вірусу некрозу тютюну. Продукт гена авірулентності avrRxv фітопатогенної бактерії Xanthomonas vesicatoria, що вражає томати та перці, індукує захисні реакції у стійких сортів. Він гомологічен фактору вірулентності yaupj бактерії Yersinia pseudotuberculosum, яка викликає кишкові інфекції. Транспорт обох білків через бактеріальні мембрани здійснюють спеціальні білки, що мають гомологічні області з продуктами hrp-генів у фітопатогенних бактерій і білками секреторною системи типу III у патогенних для людини Yersinia, Shigella та Salmonella.

Не залишають виключення і ліпіди. Арахідонова (ейкозотетраеновая) кислота, що продукуються збудником фітофторозу картоплі Phytophthora infestans, включається до складу фосфоліпідів заражених клітин, окислюється там ферментом ліпооксігеназой до ейкозаноїдів. Ця кислота - активний індуктор окисного вибуху, синтезу рослинних антибіотиків (фенолів, фітоалексинів) і реакції надчутливість. У тварин вона - попередник ейкозаноїдів, окислюється липо-і циклооксигеназа до лейкотрієнів і простагландинів - медіаторів циклічних нуклеотидів та агрегації тромбоцитів.
                 Синтез цераміди (регулятора клітинного циклу та апоптозу) з сфінганіна і структура грибних антиметаболітів фумонізіна і   AAL-токсину.    У рослин ці токсини пригнічують захисні реакції і транспорт цукрів, призводять до неопластичними росту і некрозу.    У людини і сільськогосподарських тварин фумонізін викликає гепатотоксікози, різні форми неоплазмозов і загибель клітин.     

Імунні молекули

Будова антитіл - імуноглобулінів - добре відомо: два поліпептидні ланцюга - важка (H, молекулярна маса ~ 50 кДa) і легка (L, молекулярна маса ~ 25 кДa), з'єднані дисульфідними зв'язками. Кожна ланцюг містить чергуються константні (С) і варіабельні (V) ділянки. Величезна різноманітність антитіл в організмі, що дозволяє дізнаватися безліч чужорідних антигенів, обумовлено унікальним генетичним контролем їх синтезу.

Продукти генів стійкості рослин названі R-білками (від англ. resistance - стійкість). Структуру перших трьох R-білків (з томатів, арабідопсис і тютюну) встановили порівняно недавно - в 1993 р. З тих пір їх описано кілька десятків.

До складу R-білків входить декілька структур, що забезпечують, з одного боку, взаємодія з лігандом (елісітором) і з молекулами-мішенями (зокрема, з ДНК), а з іншого - передачу сигналу на інші молекули - циклічні нуклеотиди, протеїнкінази і ін поліпептидні ланцюга R-білків утворені комбінаціями фрагментів, що й забезпечує рослинам з різних класів і порядків стійкість до вірусів, бактерій, грибів і навіть нематод. Отже, ці структури виникли дуже давно, до розбіжності предкової рослин на сучасні класи і порядки, виконували інші, більш загальні, функції, пов'язані з рецепцією і передачею сигналу від порушеної рецептора до генів. Отже, їх імунна функція вторинна.

Гени стійкості рослин, які контролюють синтез R-білків, розташовані на хромосомах невипадково. Широко поширені три типи локалізації: одиночне діаллельное (один локус з двома алелями, контролюючими сприйнятливість і стійкість, яка, як правило, домінантна); одиночне мультіаллельное (один локус з безліччю кодомінантних алелей, що контролюють стійкість до різних видів і рас патогенів); зчеплене (велика кількість ді-або мультіаллельних локусів зчеплені і утворюють блок фенотипно подібних генів, що визначають стійкість до однієї або декільком хвороб). Ось деякі приклади.

Ген стійкості рису до бактерії Xanthomonas oryzae Xa21 входить в мультігенное сімейство, складається принаймні з восьми членів, які квартира в одному локусі на хромосомі 11. На короткому плечі
V-й хромосоми ячменю знаходиться блок з п'яти локусів, що визначають стійкість до борошнистої роси; в одному з локусів - Mla - картіровано близько 20 кодомінантних алелей. Стійкість кукурудзи до рас збудника північній іржі Puccinia sorgi контролюють п'ять локусів. Два з них - Rpl і Rp5 - тісно зчеплені, причому в локусі Rpl картіровано 14 алельних і тісно зчеплених генів. Гени стійкості томатів до кладоспоріозу (збудник - гриб Cladosporium fulvum) утворюють кілька груп зчеплення. Тісно зчеплені гени Cfl, Cf-4 і СP, розташовані на короткому плечі хромосоми 1, а також Cf-2 і С-5 на короткому плечі хромосоми 6. Останні, ймовірно, алельних, тому що не рекомбінують у гібридного потомства.

Схема ділянки хромосоми, що включає сімейства варіабельних, V, і константних, C, генів (вгорі). Чисельність V-генів в окремих родинах варіює від 50 до 1000, а C-генів - від 1 до 9. Внизу - складання V-гена: V-фрагмент - контролюючий перших 95 амінокислот, D - наступні за ним від 2 до 10, J - кінцевий фрагмент V-гена, який контролює від 5 до 10 кінцевих амінокислот. Райони ДНК, що розділяють VD і DJ фрагменти, вирізують і втрачаються при складанні гена.

Виникнення кластерів зчеплених генів, функціонально і, ймовірно, структурно подібних, обумовлено внутрішньо-або межгеннимі обмінами ділянок ДНК, які мають прямі (аbсd - а'b'с'd ') або інвертовані (аbсd - d'с'b'a') повторювані послідовності. Нитки ДНК двох батьків у мейозі можуть злучатися по гомологічних послідовностей, які знаходяться в негомологічних ділянках хромосом. Це призводить до нерівного кросинговеру. В результаті в одного з батьків ділянка хромосоми втрачається (делетіруется), а у другому - подвоюється (дупліціруется), тобто замість одного гена з'являється дві зчеплених.

З цієї точки зору найбільший інтерес представляє LRR-область R-білків з численними повторюваними послідовностями. Завдяки точковим мутацій, ділок, інверсія така структура забезпечує генетичну реорганізацію. Експериментально показано, що мутації, які змінюють реакцію на зараження авірулентнимі расами патогенів, картіровани в LRR-області.

Велику роль у збільшенні генетичної розмаїтості сімейств генів стійкості можуть грати розриви кодує частини ДНК, викликані впровадженням мобільних генетичних елементів. Так, у рису в локусі білка Ха21 виявлені транспозони Truncator і Retrofit, призводять до розривів і утворення самостійних рамок зчитування. Цей білок поєднує властивості двох білків томата - мембранного рецептора і ферменту протеїнкінази. Можливо, виникнення генів С/9 і Pto обумовлено розривом попередника, подібного гену Ха21.
 

Схема будови R-білків. Заштриховані С-кінцеві домени, які містять повторювані послідовності, багаті лейцин (LRR-області). Кожен повтор складається з 23-24 амінокислот. Ця структура, що зустрічається у багатьох білках евкаріот, здійснює білкові взаємодії, тобто служить рецептором, що зв'язуються з лігандом - елісітором патогена. NBS (Nucleotide Binding Sites) - сигнальна область, що зв'язуються з АТФ і ГТФ, внаслідок чого вона може активувати кінази або сигнальні G-білки. LZ (Leucine Zipper Region) - область лейціновой "Застібки", яка бере участь у формуванні спіраль структур, відповідальних за дімерізацію або специфічну взаємодію з іншими білками. TIR (Toll/Interleukin-1 Resistance) - область гомології з цитоплазматичних доменом Toll-білка дрозофіли і рецептором інтерлейкіну-1 ссавців. Можливо, TIR-область рослинних R-білків несе схожі функції. РК - серін-треоніновая протеїнкінази - фактор активації транскрипції і інших сигнальних шляхів. Зліва позначені гени рослин, що кодують R-білки: RPS та RPM - гени стійкості арабідопсис до бактерій з роду Pseudomonas; L - ген стійкості льону до іржі; N - ген стійкості тютюну до вірусу тютюнової мозаїки; RPP - ген стійкості арабідопсис до помилкової борошнистої роси; Cf - гени стійкості томатів до грибу Cladosporium fulvum; Xa - ген стійкості рису до бактерії Xanthomonas oryzae; Pto і Prf - система генів, що контролюють стійкість томатів до бактерії Psiulomonas tomato. Праворуч - вміст амінокислот в білках. Внутрішні цифри - відсотки ідентичних послідовностей в специфічних областях. Стрілки вказують напрямки транскрипції, а трикутники - положення інтронів.

Різні типи рекомбінації (A, B, C) на хромосомному сегменті, що містить локуси стійкості рослин до хвороб (А - С). Внизу - гіпотетичні зміни стійкості до рас патогенного мікроорганізму, що виникають в результаті рекомбінації.

Таким чином, аналогічно множинним генів імуноглобулінів у ссавців, що забезпечують синтез антитіл, у рослин є білки, що кодуються сімейством зчеплених генів. Висока варіабельність їх генопродуктов дозволяє швидко реагувати на зараження новими вірулентними видами і расами паразитів.

Передача сигналу і імунну відповідь

Тим збудженням рецептора і активацією генів імунної відповіді відбувається трансдукція - передача сигналу, в ході якої він багаторазово множиться. Процес здійснюється сигнальними системами (як правило, спільними для всіх клітин), що беруть участь у регуляції різних сторін життєдіяльності організму. Деякі сигнальні системи функціонують в заражених і хворих на клітинах і тканинах.

Наприклад, інфекція рослин і тварин часто супроводжується окислювальним вибухом, викликаним появою активних форм кисню (перекису водню, гідроксид-радикала, аніон-радикала). У цьому процесі важливу роль відіграє NADPH-оксидазної система цитоплазматичної мембрани. У рослин вона подібна до такої у макрофагів і нейтрофілів ссавців. Імунні сироватки до ключових компонентів NADPH-оксидазної комплексу тварин взаємодіють з рослинними білками відповідного розміру. Клоновані гени рису, гомологічні гену мембранного білкового компонента NADPH-оксидазної системи нейтрофілів тварин. У клітинах рослин активні форми кисню утворюються також за участю пероксидази клітинної стінки і оксалатоксідази. Ці альтернативні шляхи появи активного кисню не придушуються специфічними інгібіторами окисного вибуху у тварин.

Припускають, що активні форми кисню не тільки високотоксичні сполуки, здатні локалізувати інфекцію, але й учасники сигнальної системи: супероксид-аніон і перекис водню активують транскрипцію і, як наслідок, експресію захисних генів.

Активним компонентом в сигнальну систему служить саліцилова кислота, її концентрація багаторазово підвищується не тільки в місцях інфікування, але й у віддалених тканинах. Оскільки саліцилова кис?? ота пригнічує активність ферменту каталази, розкладницької перекис водню, кількість останньої ще більше зростає. Не менш важлива роль саліцилової кислоти та її ацетильованій форми (аспірину) в регуляції захисних реакцій у хребетних тварин. У цьому випадку вона блокує синтез простагландинів і активність гена фактора некрозу пухлин (ФНП), обмежує продукцію інтерлейкіну 1, здійснюючи тим самим протизапальну і жарознижуючу дію.

Одна з важливих сторін присутності в клітці активних форм кисню - індукція клітинної загибелі або апоптозу. Показано, наприклад, що трансгенні рослини тютюну, у яких пригнічений синтез ферментів, що розкладають перекис водню, підвищена чутливість до патогенів. В таких рослин навіть низькі дози патогенів, які не впливають на контрольні рослини, викликають реакцію надчутливість.

Роботи останніх років виявили багато спільного між апоптозом у тварин і рослин при реакції надчутливість. У заражених клітинах рослин звільняються вільні 3'-кінці ДНК, активується Са2 +-залежна ендонуклеаза, з'являються фрагменти ДНК розміром близько 50 тис. підстав, а також олігонуклеосомние фрагменти. Для модельних систем показано, що такі фрагменти утворюються тільки в несумісних комбінаціях рослина-патоген. Крім того, виявлено залишкові апоптозние тільця, що мігрують до периферії клітини. Токсин томатного патогена викликає апоптоз і в клітинах тварин. У системі квасоля-іржа 3'-олігонуклеосомние фрагменти знайдені тільки в клітинах, що містять вирости міцелію гриба (гаусторіі), що вказує на високу специфічність процесу.

Морфологічні зміни рослинних клітин у апоптозу також схожі з такими у тварин: різко зменшується розмір клітини, цитоплазматична мембрана набуває складчастість, ядро конденсується і дробиться, мітохондрії набухають, протопластів відділяється від клітинної стінки і розпадається на окремі везикули, подібні апоптозним тельцям. У тварин апоптозние везикули поглинаються сусідніми або спеціалізованими клітинами, у рослин ж фагоцитозу перешкоджає клітинна стінка. При надчутливої реакції навколо осередку ураження утворюється перідерма, оскільки здорові клітини набувають меристематичних активність. Імовірно, у апоптозу рослин беруть участь хлоропласти, як і мітохондрії у тварин.

індукторами апоптозу у тварин і рослин можуть бути одні й ті ж імуномодулятори мікроорганізмів. Зовнішній стимул в тваринних клітинах активує цистеїнових протеазу - каспаз, яка розщеплює багато внутрішньоклітинні білки, викликаючи конденсацію цитоплазми і фрагментації ДНК. Багато рослинні R-білки мають ділянки, гомологічні регуляторів апоптозу у тварин. Можливо, і функціонально ділянки R-білків схожі з регуляторами апоптозу у тварин.

* * *

Завдяки молекулярних досліджень стало ясно, що в процесах, що забезпечують життєдіяльність клітини та її взаємодія з навколишнім середовищем, між найпростішими евкаріотамі, дріжджами, і вінцем творіння, людиною, набагато більше спільного, ніж специфічного. Тому не дивно наявність спільних механізмів у захисті від інфекційних хвороб. Перехід від примітивних механізмів імунітету у рослин до досконалим, властивим хребетним тваринам, полягає, мабуть, у поділі функцій.

Адже у рослин кожна клітина здатна до синтезу молекул, що дізналися чуже, до трансдукції сигналу до ядерного апарат, токсичного дії на паразита і т.д. Сигнальні молекули функціонують внутрішньоклітинно, забезпечуючи локальну імунну реакцію. Хоча в відповідь на зараження може виникнути системна придбана стійкість, вона не абсолютна і виявляється лише в зниженні сприйнятливості до повторного зараження неінфікованих ділянок.

У тварин імунні функції розділені між низкою клітин - Т-і В-лімфоцитами, макрофагами та ін Сигнальні молекули передають інформацію між клітинами, що забезпечує посилення сигналу і його системне поширення. Цей механізм обумовив виникнення сімейства сигнальних молекул - цитокінів (інтерлейкіни, ФНП та ін) та їх рецепторів на поверхні імунних клітин.

У рослин виникнення такого механізму малоймовірно і за структурними міркувань - наявності клітинних оболонок, що перешкоджають міжклітинним обмінам. Ймовірно, з появою функціонально різних, здатних до автономного розмноження і системному поширенню, клітин пов'язане й інше принципове розходження між імунними системами рослин і тварин.

У тварин головні захисні молекули, антитіла, високо специфічні до певних видів і навіть штамів патогенних мікроорганізмів. Така специфічність вимагає, по-перше, величезного розмаїття в будові імунних молекул, що може бути забезпечене тільки білками, і, по-друге, механізму переважного розмноження тільки того клону, який продукує потрібне антитіло. Ясно, що кожна клітина рослини, що несе всі імунні функції, не може забезпечити таку складну систему захисту. Тому основні захисні молекули рослин низькомолекулярних (феноли, терпеноїдів) і неспецифічні, тобто токсичні по відношенню до великого числа видів патогенних грибів та бактерій. Специфічний, і то відносно, лише їх синтез в відповідь на інфекцію. І хоча в зараженій клітині рослини зазвичай утворюється сімейство близьких за будовою захисних молекул (наприклад, фітоалексинів), все вони неспецифічні і відрізняються лише ступенем токсичності до різних патогенних мікроорганізмів і чутливістю до ферментам паразитів.

В останні роки змінюється ставлення фітопатології і до практичного використання придбаного імунітету. Тільки на відміну від тварин і людини, імунізація яких заснована на зараженні ослабленими штамами паразитів, які індукують розмноження необхідного клону лімфоцитів, імунізацію рослин проводять хімічними сполуками, що індукують синтез неспецифічних факторів захисту (абіотичних елісіторамі). Зараз багато закордонні та вітчизняні фірми виробляють такі з'єднання для практичного використання: передпосівної обробки насіння або бульб, річному обприскування вегетуючих рослин і т.п.

Література

Стаття Юрія Тарічановіча Дьякова, доктор біологічних наук,
завідувач кафедрою мікології і альгології біологічного факультету МДУ ім.М.В.Ломоносова.