Химерный иммунный рецептор с кусками звериных антител помогает растениям отражать угрозы, перед которыми они раньше были почти беззащитны.
У растений есть свои способы защититься от вирусов, бактерий, опасных грибков и других патогенов. Конечно, растительный иммунитет отличается от животного: растительные защитные молекулы выглядят по-другому, и растительные клетки в иммунных реакциях ведут себя иначе, чем у животных. Но если сравнивать растения, например, с млекопитающими, то будет ещё одно масштабное отличие: у растений не бывает приобретённого, адаптивного иммунитета.
Как мы знаем, у нас (как у всех млекопитающих), есть иммунитет врождённый и адаптивный. Врождённый реагирует на общие признаки больших групп патогенов. Например, он реагирует на некоторые общие молекулярные особенности бактерий, или на двойные спирали ДНК в клеточной цитоплазме — потому что в норме вся ДНК у клетки в ядре, а если она появилась в цитоплазме, значит, в клетку проник вирус. Врождённый иммунитет передаётся из поколения в поколение, и если и меняется, то из-за обычных мутаций. Он срабатывает сразу, как только патоген появляется в организме, но эффективность его не всегда достаточно высока.
Адаптивный же иммунитет появляется против конкретного чужака. Ему нужно время, чтобы нацелиться на молекулярную особенность того патогена, который проник в организм, но, нацелившись, он истребляет его быстро и эффективно. Важное свойство адаптивного иммунитета заключается в том, что потенциально он способен сработать против кого угодно. Если вирус, например, изменится из-за мутаций, иммунитет всё равно сможет его атаковать. Правда, тут есть своеобразные примеры вроде ВИЧ, который постоянно ускользает от иммунной атаки, но ВИЧ – это всё-таки особый случай. В целом адаптивный иммунитет может сходу приспособиться к любому патогену, потому его и называют адаптивным.
Один из главных инструментов адаптивного иммунитета – антитела, или белки иммуноглобулины. Клетки, которые их синтезируют, преднамеренно тасуют некоторые участки антительных генов; можно сказать, что они их целенаправленно мутируют. В результате иммунитет получает огромное количество разновидностей антител, которые отличаются друг от друга как раз теми своими частями, которыми они могут связывать чужеродные молекулы (эти части у антител называются гипервариабельными участками).
У растений же адаптивного иммунитета нет. У них есть набор молекулярно-генетических инструментов, которые реагируют на общие признаки тех или иных патогенов, или даже на конкретных вредителей. Есть специальные рецепторы, чья задача – узнавать конкретную опасность, например, определённый паразитический грибок. Таких рецепторов у растения может быть несколько сотен. Но если грибок вдруг как-то сильно изменится в тех молекулах, по которым его узнавала растительная клетка, или в растение придёт новый, до сих пор невиданный патоген, то растению придётся туго. Конечно, у него может появиться новый рецептор, который нацелится на новую опасность, но тут остаётся полагаться только на обычные фоновые мутации и естественный отбор. Создать своими руками – образно говоря – новые разновидности рецепторов с тем расчётом, чтобы какая-то из получившихся разновидностей схватила незнакомый патоген (по аналогии с антителам) – так растения делать не могут.
Надеемся, что после такого вступления станет хотя бы отчасти понятно, в чём был смысл экспериментов сотрудников Университета Восточной Англии. Их цель была в том, чтобы поделиться с растениями преимуществами адаптивного иммунитета животных. Представим, что какое-нибудь сельскохозяйственное растение страдает от вируса или грибка, будучи не в состоянии избавиться от него своими силами – растительный иммунитет не видит патоген. Если мы введём растительный вирус или грибок какому-нибудь млекопитающему, то самому зверю от него вреда не будет, но звериный иммунитет всё равно выработает против него антитела. Из набора антител можно отобрать самые эффективные и проанализировать их аминокислотную последовательность – с тем, чтобы по последовательности аминокислот синтезировать ДНК, которая будет их кодировать. ДНК звериного антитела мы теперь встраиваем в геном растения, причём встраиваем так, чтобы антитело соединялось в один белок с растительным иммунным рецептором. Антитело будет узнавать тот патоген, который растение само узнавать было не в состоянии. А поскольку антитело сидит на иммунном рецепторе, то рецептор этот будет передавать соответствующие сигналы, запуская все необходимые защитные реакции.
Осталось пояснить, причём тут ламы – в заголовке ведь говорится об антителах ламы. Дело в том, что ламы и верблюды способны синтезировать антитела с особой упрощённой структурой. Работают они так же, как антитела других зверей, но устроены не так сложно. Более того, их даже можно ещё сильнее упростить методами генетической инженерии. Наконец, антитела верблюдов и лам благодаря особенностям строения могут дотянуться до таких укромных уголков в других молекулах, до которых не могут добраться более массивные антитела других зверей.
В статье в Science исследователи описывают эксперименты с растениями табака и с распознающими участками антител лам. Правда, антитела были не против настоящей вирусной, или грибковой, или бактериальной молекулы, а против двух флуоресцентных белков. Но задача была не столько в том, чтобы получить растение, устойчивое к какому-то патогену, сколько в том, чтобы в принципе продемонстрировать действенность такого подхода. Флуоресцентные гены, кстати, вводили в табак с помощью модифицированного вируса; по свечению белков можно было увидеть, в какие клетки вирус проник. Но растения сами были с модифицированным иммунным рецептором, который теперь с помощью кусков звериных антител должен был эти светящиеся белки распознавать. Он и распознавал, заставляя поражённые клетки погибнуть (обычный иммунный способ бороться с неприятностями – принести в жертву часть, чтобы спасти целое; животный иммунитет тоже так делает).
Вирус, хотя и модифицированный, мог размножаться и разрушать растительные клетки. У обычного растения табака из-за вируса погибали целые листья. А вот у табака с химерными иммунными рецепторами на листе появлялось лишь сравнительно небольшое омертвление, а весь остальной лист оставался жив. Сильная иммунная реакция, которая начиналась благодаря звериным антителам, спасала лист от полной гибели.
На всякий случай ещё раз подчеркнём, что исследователи не пересаживали в растение адаптивный иммунитет от зверей. Адаптивный иммунитет работал в ламах, но плоды его работы в виде фрагментов антител можно было пересадить в растения, которые без такой помощи могли бы ещё очень долго приспосабливаться к новой угрозе. В перспективе многие сельскохозяйственные культуры можно снабдить такими химерными иммунными рецепторами против различных патогенов, от которых эти растения продолжают страдать, несмотря на все агротехнические достижения.
Автор: Кирилл Стасевич