Активация одного единственного гена у крыс отбрасывает эволюцию иммунной системы на 500 миллионов лет назад. Таковы результаты работы группы ученых из Института иммунологии и эпигенетики Общества Макса Планка (Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics), опубликованной в журнале Cell Reports.
Своя иммунная система есть даже у бактерий – им надо защищаться от поражающих их вирусов – бактериофагов. Но у бактерий она фактически ограничивается способностью уничтожать чужеродную ДНК. В дальнейшем в ходе эволюции живые существа приобретали все новые и новые, каждый раз более совершенные и разнообразные методы защиты от болезней. Но возбудители тоже не дремали и учились обманывать иммунную систему своих жертв. Эта гонка вооружений – неотъемлемая часть эволюции и, зачастую, ее движущая сила.
В работе рассматривается влияние белка FOXN4 на развитие и функционирование тимуса (вилочковой железы). В тимусе у млекопитающих происходит созревание и обучение T-клеток. Т-клетки (несколько упрощая) – это те клетки иммунной системы, которые участвуют в приобретенном иммунном ответе, но не участвуют непосредственно в выработке антител. Но тимус есть не только у млекопитающих, но и практически у всех позвоночных. У рыб, однако, в нем происходит созревание и некоторой части B-лимфоцитов – клеток иммунной системы, продуцирующей антитела. У взрослых млекопитающих B-лимфоциты созревают только в костном мозге, а у эмбрионов млекопитающих – еще и в печени. Непосредственно с созревающими лимфоцитами в тимусе взаимодействуют эпителиальные клетки тимуса, они довольно разнообразны по структуре и функциям. Развитием и дифференцировкой этих клеток у млекопитающих управляет транскрипционный фактор FOXN1. Это белок, который взаимодействует с геномной ДНК и определяет, какие гены включать и насколько, а какие выключить. Ген Foxn1, кодирующий белок FOXN1 произошел в ходе эволюции от гена Foxn4. Белки FOXN1 и FOXN4 очень похожи друг на друга, заметно отличаются только их части, непосредственно взаимодействующие с ДНК.
Весьма вероятно, что ген Foxn1 возник из гена Foxn4 в результате дупликации. Дупликация генов – довольно распространенное событие в ходе эволюции. Из-за неопасных неточностей при кроссинговере какой-нибудь участок (иногда один ген) оказывается удвоен. Иногда после этого один из генов-близнецов начинает гораздо быстрее накапливать мутации, потому что второй продолжает выполнять старые функции и организму в целом ничего не грозит, и тогда первый может приобрести новые неожиданные функции или начать выполнять исходные функции лучше предыдущего варианта. Иногда новые гены делят между собой функции одного старого.
Гены Foxn1 иFoxn4 за время эволюции также приобрели и другие, несвязанные с иммунитетом функции. Если у рыбы выключить Foxn4,то у эмбриона не происходит правильного развития сердца, и он погибает. У млекопитающих Foxn1 активен в волосяной луковице и нужен для кератинизации волос.
Ген Foxn4 активен у предков млекопитающих наряду с Foxn1, а у самых ранних позвоночных ген Foxn1 вообще еще отсутствует. У хордовых – предшественников позвоночных тимуса еще нет, а вот ген Foxn4 уже есть. У ланцетника на эмбриональной стадии развития ген Foxn4 активен в будущих клетках глотки, именно в этом месте потом будет образовываться тимус. Это позволяет предположить, что этот ген в значительной степени управляет организацией и развитием тимуса.
В ходе эксперимента мышам ввели генетическую конструкцию, в которой под контролем элементов, контролирующих работу гена Foxn1, находился ген Foxn4. Оказалось, что активация гена Foxn4 приводит к появлению заметного процента B-лимфоцитов в тимусе и позволяет предположить, что у видов, у которых еще не было Foxn1, созревание лимфоцитов обоих типов происходило в тимусе. Возможно, что это позволило в большей степени диверсифицировать функции B-лимфоцитов, а это было очень важно для развития системы приобретенного иммунитета. Сначала связанные с клеточной мембраной, а затем секретируемые антитела появились у позвоночных хрящевых рыб. Есть версия, что до тех пор B-лимфоциты занимались фагоцитозом – поглощением и перевариванием патогенов, которым сейчас у млекопитающих занимаются макрофаги – клетки системы врожденного иммунитета.
На иллюстрации слева вы видите нормальное состояние тимуса крысы, где очень мало B-лимфоцитов (окрашены красным), а справа - тимус с активированным геном Foxn4 и большим количеством B-лимфоцитов.
