ボストン小児病院の免疫学研究者であるジョナサン・ケイガンは、「地球上のすべての生命体は同じ問題を抱えています。 「そして、それは感染症への対処です。」私たちが細菌感染を心配するのと同じように、細菌は感染するファージと呼ばれるウイルスを監視しており、生命のあらゆる王国のすべての生物と同様に、感染と戦うための分子ツールの武器庫を進化させてきました.
人間のような大きくて複雑な生き物は、侵入者を検出または破壊する特殊な細胞の巨大な免疫システムに散財することができます.植物やバクテリアなどのより単純な生物は、多くの場合、スイス アーミー ナイフのように、両方の役割を備えた一連のマルチタスク タンパク質に依存する必要があります。防御は非常に普遍的な関心事であるため、これらの防御システムの多くが進化を通じて保存され、人間を含む多様な生物間で共有されてきたことは驚くべきことではありません.
しかし、新しい研究が今月 Science に掲載されました 細菌と古細菌 (生命の最も古い形態である単純な原核細胞) のタンパク質ファミリーが、これまでにない方法でウイルスを検出することを発見しました。
手袋のようにフィット
遺伝子シーケンシングとバイオインフォマティクス技術の進歩により、細菌が使用する抗ウイルス防御の多くが、過去 50 年以内にようやく明らかになり始めました。しかし、バクテリアの CRISPR-Cas9 システムを利用する強力な遺伝子編集ツールにより、過去 10 年間でそれらへの関心が高まっています。このツールの成功により、研究者は細菌分子がどのようにウイルスを認識して排除するかに注目するようになりました。
CRISPR-Cas9 などのこれらの抗ウイルス防御の一部は、ファージが宿主に注入する DNA 内の特定の配列を認識します。ウイルスの断片を直接感知するのではなく、DNA の損傷や細胞プロセスの機能不全など、ウイルスが引き起こす害の証拠に反応するものもあります。これは、侵入現場のガラスの破片に相当する分子です。
しかし、マサチューセッツ工科大学の Feng Zhang と国立バイオテクノロジー情報センターの Eugene Koonin が率いる研究者が発見したように、Avs タンパク質と呼ばれる細菌の免疫センサーはどちらも行いません。 Avs タンパク質は、細胞のハイジャックされた機構によって製造されたウイルスタンパク質を直接検出できます。
タンパク質の監視は、微生物にとって危険な戦略です。わずかな変異でも、タンパク質のアミノ酸配列が認識できなくなり、病原体が検出を逃れる可能性があります。人間や他の脊椎動物の適応免疫システムは、ウイルスタンパク質を追跡することができます。これは、検索を行うために何十億もの特殊な細胞を展開できるためです。個々の細菌には選択肢がありません。
しかし Zhang のグループは、Avs タンパク質はアミノ酸配列の小さな変化や大きな変化には悩まされないことを発見した.スタンフォード大学の生化学者で論文の筆頭著者であるアレックス・ガオ氏は、「我々は9つのファージファミリーにまたがる24の異なるファージをテストし、Avsのほぼ全面的な活性化があることを発見しました.
さまざまなウイルスファミリーの標的タンパク質は、ほぼ完全に異なるアミノ酸配列を持っていましたが、ウイルスDNAの鎖を巻き上げて、新しく形成されたウイルス粒子に詰め込むという同じ仕事をしました.その結果、それらはすべて同じ機能形状を保持していました。
チームは、Avs タンパク質がこの分子の類似性を利用していることに気付きました。タンパク質は「配列ではなく、三次元の折り畳みと形状を認識していた」とガオ氏は説明した。 Avs タンパク質は「基本的に手袋のように手に巻き付く」。このタイプの 3D 構造認識には、「私たちが知る限り、分子生物学では前例があまりありません」と彼は付け加えました。
これらのウイルスタンパク質がAvs検出を逃れる唯一の方法は、認識できない形に変異することです.しかし、「タンパク質を不安定にしたり、ファージ内の機能を損なうことなく形状を変更することは簡単なことではありません」と Koonin 氏は述べています。
Avs タンパク質の多目的なラップアラウンド認識スキルは、細菌に感染するウイルスの発見に限定されません。 Koonin は、Avs タンパク質が動物のヘルペス ウイルス (論文でテストされたファージの非常に遠い親戚) を検出できるかどうかを冗談で Gao に尋ねたことを思い出しました。驚いたことに、ガオはこう答えました。彼らはそうします。 Avs タンパク質は、ヒト ヘルペス ウイルスの DNA パッキング タンパク質を認識しましたが、その認識は細菌ファージよりも弱かったです。
ワイツマン科学研究所の微生物遺伝学者 Rotem Sorek 氏は次のように述べています。「侵入者認識要素が、このような遠く離れた生物に感染するウイルスを特定できることを知ったのは初めてです。
Avs タンパク質がウイルスタンパク質を検出すると、さまざまな方法でウイルスを攻撃できます。少なくともそのいくつかは、細菌の自己破壊に終わります。細胞の自殺は防御策として直感的ではないように見えるかもしれませんが、細菌はしばしば強い遺伝的類似性を持つコロニーに住んでいます.感染した細胞は自分自身を破壊することで、本質的に双子である隣人を保護することができます。これは、進化戦略として「完全に理にかなっています」とクーニンは言いました。
その上、ウイルスタンパク質が細菌のAvs防御に明らかになるまでに、ウイルスはすでにそれ自体のコピーを組み立てており、感染した細胞からすぐに爆発します.その時点で、Sorek 氏は、「いずれにせよ、ファージによる死から逃れることはできません」と述べています。
小さな先生
バクテリアと古細菌の他の免疫防御に関する研究で、研究者は、人間や他の生物のより複雑な真核細胞の免疫防御との驚くべき類似点を明らかにしました。形態と機能におけるこれらの遺伝的類似性のいくつかは、私たち真核生物が原核生物の祖先から防御の一部を直接受け継いでいることを示唆するのに十分近い.
Avsタンパク質の何かを継承したかどうかはまだわかりません.ヒトの自然免疫センサーのごく一部は特定の病原体タンパク質を認識しますが、私たちの自然免疫センサーで機能するタンパク質形状認識のようなものはまだ誰も発見していません. Avs タンパク質は、特定の真核生物の防御分子と興味深い構造上の類似点をいくつか持っていますが、その類似性は、収束進化と防御戦略としてのパターン認識の力の産物である可能性があります。 「自然はこれらの [免疫センサー] を作るのが本当に好きなのかもしれません。それはとてもうまく機能するからです」と Gao は言いました。
タンパク質の形状認識がバクテリアや古細菌に対してどれほどうまく機能するかを考えると、Avs タンパク質のようなものが最終的に真核生物に現れると予想されるかもしれません。 Kagan は、この発見が自然免疫応答の標的としてのタンパク質の研究への関心を刺激する可能性があると考えています.
細菌は「私たちに教えることをやめていません」とケーガンは言いました。 「彼らは私たちに DNA の複製、DNA の修復、細胞分裂について教えてくれました。そして今では免疫についても教えてくれます。」
