Аллораспознавание - Allorecognition
Аллоузнавание - это способность отдельного организма отличать свои ткани от тканей другого. Он проявляется в распознавании антигенов, экспрессируемых на поверхности клеток чужеродного происхождения. Аллораспознавание описано почти для всех многоклеточных типов.
Эта статья посвящена аллораспознаванию с точки зрения его значения в эволюции многоклеточных организмов. Для других статей , которые сосредоточены на его значение в медицине, молекулярной биологии, и так далее, следующие темы рекомендуется, а также те , в Категории ссылки в нижней части этой страницы.
- Иммунная система , иммунология
- Отторжение трансплантата
- Типирование ткани
- Главный комплекс гистосовместимости (MHC)
Способность различать «я» и «не-я» - фундаментальное требование для жизни. На самом базовом уровне даже одноклеточные организмы должны уметь отличать пищу от непищевой, адекватно реагировать на вторжение патогенов и избегать каннибализма. У организмов, размножающихся половым путем, самоопределение / несамо-дискриминация имеет важное значение для обеспечения видоспецифичного взаимодействия яйцеклеток / сперматозоидов во время оплодотворения. Гермафродитные организмы, такие как кольчатые червяки и некоторые растения, нуждаются в механизмах распознавания для предотвращения самооплодотворения. Все эти функции выполняются врожденной иммунной системой , которая использует эволюционно консервативные рецепторы распознавания образов для устранения клеток, отображающих «чужие маркеры».
Эволюция многоклеточности
Эволюция многоклеточности привела к возникновению различных проблем, многие из которых могли быть решены с помощью все более сложных 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 ( то есть основанная на главном комплексе гистосовместимости (MHC), Т-клеточных рецепторах (TCR) и антителах ) существует только у челюстных позвоночных , но независимо развившаяся адаптивная иммунная система была выявлен у миксин и миног (позвоночных без челюсти).
Многоклеточность независимо возникала десятки раз в истории жизни у растений, животных, грибов и прокариот, впервые появившись несколько миллиардов лет назад у цианобактерий . Две категории преимуществ были отнесены к раннему развитию многоклеточного существования: преимущества, связанные с размером, и преимущества, связанные с функциональной специализацией и разделением труда. Преимущества размера могут включать большую эффективность кормления или повышенную надежность. Например, миксобактерии , перемещаясь стаями, способны поддерживать высокую концентрацию внеклеточных ферментов, используемых для переваривания пищи, от которых выигрывают все бактерии в стае. В различных условиях многие микроорганизмы образуют биопленки, которые обеспечивают им защищенную среду. У организмов, которые развили функциональную специализацию, важное разделение труда может существовать в отношении воспроизводства: только небольшая часть клеток вносит вклад в следующее поколение. Соматический рост представляет собой форму альтруизма, когда соматические клетки отказываются от воспроизводства, помогая воспроизводиться клеткам зародышевой линии .
Проблема безбилетника
Внеклеточные ферменты, секретируемые роящимися бактериями, слизью биопленки или сома-клетками дифференцированного организма, представляют собой общественные блага, уязвимые для использования мошенниками. Эта проблема хорошо известна в экономике и эволюционной биологии как « проблема безбилетника » или « трагедия общества ». Безбилетник (или халявщик) - это физическое лицо, которое потребляет ресурс, не платя за него, или платит меньше полной стоимости. В многоклеточных организмах обманщики могут возникнуть в результате мутаций в соматических клетках, которые больше не вносят вклад в общее благо, или игнорируют меры контроля над их воспроизводством. Другая возможность может возникнуть в результате соматического слияния: существуют многоклеточные образы жизни, в которых практически отсутствуют физические препятствия для смешения клеток (например, губки, грибной мицелий), и даже среди организмов, у которых развились физические покровы, представляющие первую линию жизнедеятельности. защита от вторжения, возникают возможности для клеточного обмена. Свидетельствуйте, например, о распространении дьявольской лицевой опухоли среди тасманских дьяволов и трансмиссивной венерической опухоли у собак.
У многоклеточных животных защита от нарушения многоклеточного образа жизни такими мошенниками принимает две основные формы. Во-первых, постоянным признаком многоклеточного жизненного цикла является наличие одноклеточной фазы даже среди организмов, основной способ размножения которых может быть через многоклеточные вегетативные отростки. Эта одноклеточная фаза обычно принимает форму зиготы, производимой половым путем. Прохождение одноклеточного узкого места гарантирует, что каждый представитель следующего поколения организмов представляет отдельный клон. Некоторые потомки будут нести большое количество вредных мутаций и вымрут, в то время как другие потомки будут нести мало. Таким образом, организм обходит « храповик Мюллера » - процесс, посредством которого в геномах бесполой популяции накапливаются вредные мутации необратимым образом. Вторая защита от мошенников - это развитие механизмов аллораспознавания, которые защищают от вторжения паразитических репликаторов. Аллоузнавание действует как агент родственного отбора , ограничивая слияние и принятие сообщества родственными индивидуумами. Если родственные индивиды сливаются, преимущества слияния все равно будут применяться, в то время как издержки конкуренции за общие ресурсы или репродуктивные возможности будут снижены на долю, пропорциональную степени родства между сливающимися партнерами. Если неродственные индивиды сливаются или если в организме возникает мутировавшая клетка, которая отличается от себя системой аллораспознавания, активируется реакция отторжения. Как правило, отторжение опосредуется продуктами генов сильно вариабельных локусов, которые должны совпадать (или почти совпадать) между организмами, чтобы слияние было успешным.
Феномены аллоузнавания
Феномены аллораспознавания были обнаружены в системах бактериальной самоидентификации и социального признания, родственной дискриминации в социальных амебах, типах спаривания грибов, грибковой вегетативной несовместимости, системах самонесовместимости растений, колониальных морских беспозвоночных (таких как кораллы, губки, гидроиды, мшанки и т. асцидии) и, конечно же, позвоночные. Способы, которыми аллоузнавание проявляется в этих различных системах, сильно различаются. Бактерии, например, секретируют бактериоцины , белковые токсины, специально нацеленные против представителей их собственного вида. Колонии морских беспозвоночных, каждая из которых представляет один генотип, расширяются по дну океана путем бесполого размножения. Там, где колонии встречаются, они могут, если они совместимы, сливаться в единое целое, или, если несовместимы, они могут агрессивно пытаться перерасти, отравить, ужалить или поглотить друг друга.
Врожденная и адаптивная иммунные системы
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 антигенпрезентирующих клеток ), а также молекулярных путей, таких как система комплемента, которые реагируют на чужеродные микроорганизмы. . Врожденная иммунная система обеспечивает быструю воспалительную реакцию, содержащую инфекцию, и активирует адаптивную иммунную систему, которая устраняет патоген и благодаря иммунологической памяти обеспечивает долгосрочную защиту от повторного заражения.
Всесторонний поиск последовательностей в нескольких таксономических группах не смог идентифицировать MHC и TCR за пределами челюстных позвоночных. Аллораспознавание у этих животных основано на молекулярных механизмах, отличных от таковых у челюстных позвоночных. У губок были идентифицированы различные рецепторы (молекулы адгезии губок, рецепторная тирозинкиназа) с доменами, аналогичными тем, которые обнаружены в иммуноглобулинах . В этих рецепторах была выявлена изменчивость последовательностей в «горячих точках». Похоже, что молекулы, которые позже в эволюции использовались в адаптивном иммунном ответе, раньше играли роль в врожденном распознавании. Миноги и миксины, по-видимому, развили в результате конвергентной эволюции адаптивный иммунный ответ, который является независимым и отличным от адаптивной иммунной системы высших позвоночных. Лимфоцитоподобные клетки у этих рыб экспрессируют сильно вариабельные гены рецепторов лимфоцитов , которые претерпевают соматические перестройки, напоминающие способ перестройки генов иммуноглобулинов млекопитающих во время развития.
Резюме
Таким образом, аллоузнавание, способность отличать себя 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 в пользу все более усложняющейся врожденной иммунной системы. Адаптивные иммунные системы, основанные на распознавании чужого, возникли независимо в двух линиях хордовых и используют молекулы и клеточные системы, которые ранее играли роль в врожденных иммунных ответах. Аллораспознавание, существующее в настоящее время у млекопитающих, можно проследить как результат последовательной модификации механизмов иммунитета, восходящих к некоторым из самых ранних многоклеточных организмов.