Аддиктивные гены бактерий23.07.2015 16:38

Про наркоманию, или аддикцию, или зависимость, не слышал, наверное, только ленивый. И, наверное, многие считают, что это сугубо человеческое свойство. Интересно то, что у клеток тоже бывают зависимости. Это молекулярная зависимость. И там, в отличие от настоящей наркомании, если такая есть, механизмы очень четко известны. В англоязычной литературе это называется addiction models. Это некие интересные белковые молекулы, которые, как правило, заставляют бактериальную клетку все время поддерживать их в себе. Потому что, если клетка вдруг потеряет такого рода молекулу, она умрет. Это самая настоящая зависимость.

Как именно это работает? Принцип очень простой, опять же основанный на молекулярных взаимодействиях. Представьте себе, что в клетке есть два гена, которые кодируют два белка, два продукта, один из которых является токсином, способным убить клетку, а другой является антитоксином. Антитоксин — это просто молекула, связывающаяся с токсином и не позволяющая ему проявить свое токсическое действие. Таким образом, если клетка имеет этот комплекс из двух генов и их, соответственно, продуктов, она в принципе совершенно спокойно живет, потому что, несмотря на то что в ней присутствует токсин, антитоксин не позволяет ему проявить себя.

Дальше возникает интересная ситуация. Дело в том, что токсин и антитоксин имеют разное время полужизни, или разные скорости распада, что одно и то же. И выясняется, что долгоживущий токсин — это стабильный белок, а антитоксин — очень короткоживущий, он постоянно распадается. Соответственно, чтобы клетка существовала и не умерла, ей нужно постоянно иметь источник новых антитоксиновых молекул. Происходит это на уровне работы, или экспрессии, генов, когда существует ген токсина и ген антитоксина, как правило, они находятся на ДНК очень рядом друг с другом. И оба гена работают, что означает, что они транскрибируются, образуется РНК, с РНК делаются белки. И вот возникают все эти токсины, антитоксины.

Вообще говоря, клетке эти гены совершенно не нужны. Эти гены — типичный случай эгоистических генов. Не они нужны клетке, а клетка нужна им, для того чтобы существовать. Клетка — это та среда, в которой они живут. Эгоистическая ДНК в чистом виде. Но раз такая ДНК клетке не нужна, то, конечно, клетка попыталась бы это, вообще говоря, потерять, потому что поддержка этих генов и их продуктов забирает какие-то энергетические ресурсы клетки и, следовательно, влияет на ее приспособленность.

Давайте посмотрим, что произойдет с той клеткой, которая решила этот комплекс из двух генов, кодирующих токсин и антитоксин, потерять. Это может происходить как-то совершенно спонтанно: не нужен ген — вот он и потерялся. При потере этого комплекса генов возникает нижеследующая ситуация: токсин, как долгоживущий, будет существовать какое-то количество времени, антитоксин быстро распадется, а нового синтеза или производства нового антитоксина не будет, потому что соответствующий ген просто потерялся.

В результате клетка платит самую страшную плату за то, что она попыталась увеличить свою эффективность, а именно умирает.

Именно поэтому это называется модулями аддиктивности, потому что, раз получив такой комплекс генов, избавиться от него невозможно. То есть это можно сделать только посредством собственной смерти. Удивительным образом выясняется, что в мире прокариот, в мире безъядерных клеток, бактерий, количество токсин-антитоксиновых систем огромное, потому что, по-видимому, эта стратегия для эгоистической ДНК оказалась просто очень выигрышной. И есть масса самых интересных систем такого рода. Наиболее известная с механистической точки зрения (принцип этого разного времени жизни для токсина и антитоксина сохраняется) — это система рестрикции и модификации.

Нам они интересны потому, что все молекулярное клонирование возникло за счет того, что мы, ученые-биотехнологи, фактически стали использовать токсин из этой системы. В качестве токсина выступает фермент под названием рестриктаза, или эндонуклеаза рестрикции. Она может узнавать определенный участок ДНК и вносить в него двухцепочечный разрыв, что, вообще говоря, означает, что клетка после этого умирает. Но антитоксином является другой фермент, который называется метилтрансферазой, или метилазой: он узнает точно ту же самую последовательность ДНК и метилирует эту последовательность, то есть вносит туда небольшую эквивалентную модификацию. В результате такой модификации рестриктаза теряет возможность узнавать это место.

Таким образом, если сайт не модифицирован, не метилирован, рестриктаза его раскусит, и это равнозначно смерти. Если сайт модифицирован антитоксином, тогда все нормально, можно существовать. Естественно, рестриктаза оказывается долгоживущей, чтобы, не дай бог, та клетка, которая решила от этой замечательной системы избавиться, не выжила. Учитывая то, что большинство рестриктаз узнают очень специфические определенные последовательности ДНК, молекулярные биологи стали использовать это с конца 1970-х годов для клонирования, для создания рекомбинантных молекул, и ни интерферона, ни инсулина, ни всех этих вещей, которые сейчас очень популярны и спасают жизнь массе людей, не было бы, если бы не были открыты эти системы.

Ситуация, конечно же, у клеток и их паразитов (в данном случае паразитами являются эгоистичные комплексы генов токсина и антитоксина, или модули аддиктивности) никогда не бывает однозначной, никогда не бывает чистого паразитизма — всегда есть какой-то симбиоз. Выясняется, что кроме того, что токсин-антитоксиновые системы поддерживают себя, они на самом деле, конечно же, заинтересованы в поддержании здоровья и жизнедеятельности той клетки, в которой они обитают. Ведь в конечном счете, если клетка умрет, умрут и они. И, оказывается, они полезны для клетки на самых разных уровнях. Та же самая система рестрикции и модификации на самом деле спасает клетку, например, от заражения вирусами. Потому что если в клетку, не дай бог, будет впрыснута ДНК вируса, которая собирается эту клетку лизировать, произвести новые вирусы, то в большинстве случаев ДНК такого вируса не будет модифицирована, следовательно, рестриктаза, находящаяся в клетке, узнает последовательности, которые она должна узнать в ДНК вируса, и раскусит их. Клетка будет спасена, потому что своя собственная ДНК защищена метилированием, а чужеродная ДНК — нет. Прекрасно.

Кроме того, системы «токсин — антитоксин» позволяют клеткам бороться с антибиотиками. С точки зрения клеток это хорошо. С точки зрения нас с вами, это не очень хорошо. Как это происходит? Дело в том, что, несмотря на то что в ходе эволюции систем уровень работы генов токсина и антитоксина каким-то образом отъюстирован так, чтобы в целом все было хорошо, всегда есть некоторый низкий процент, десятые доли процента клеток, в которых вдруг почему-то токсина стало слишком много. Казалось бы, все нормально, но вот чисто такой стохастический эффект. И некоторые клетки в популяции, даже в условиях, когда питательная среда никак не ограничивает и есть все условия для быстрого роста, не растут. Они на какое-то время остановились просто потому, что случайно произошло слишком большое накопление токсина, накопление которого антитоксин здесь и сейчас не мог компенсировать. Это хорошо или плохо? Выясняется, что это хорошо, потому что именно те клетки, которые не растут, не являются объектом действия антибиотиков. Почти все антибиотики действуют на активно растущие клетки.

Если бы не было систем «токсин — антитоксин», то все бактериальные клетки, как абсолютно тупые и скучные роботы, действовали бы строго запрограммированно в связи с условиями окружающей среды.

И, если еда есть, они быстро растут; если еды нет, они просто останавливаются. Наличие токсин-антитоксиновых систем приводит к некоторой условной внутриклеточной оппозиции, которые не растут, хотя, казалось бы, могли расти. И это именно те клетки, которые в случае применения антибиотиков, например, просто выживают. Потому что те, кто быстро росли, умерли, а те, кто в данный момент почему-то остановились, потому что у них было слишком много токсина на этот момент, выживут — не потому, что они генетически как-то отличаются, а потому, что чисто стохастически в них оказалось много этой неблагоприятствующей росту молекулы.

По-русски сейчас тоже появилось такое слово. На самом деле это в экономике называется хеджированием — хеджированием рисков. Это стратегия, позволяющая вам готовиться или быть готовыми к тем рискам, которые, может быть, будут, а может быть, не будут. На уровне популяции означает, что не все клетки ведут себя эффективно, но в случае изменения условий это позволяет выжить всему сообществу. На уровне больного, к сожалению, это приводит к тому, что, несмотря на применение антибиотиков, возникают устойчивые к антибиотикам инфекции, которые не связаны даже с устойчивостью генетической, а просто с устойчивостью такого рода.

И, может быть, сейчас даже это не удивительно, но развитие биоинформатики, в частности, показало, что почти все действительно серьезные патогенные бактерии просто напичканы системами «токсин — антитоксин», потому что они всегда готовы. Осознание важности систем «токсин — антитоксин», этой клеточной аддикции в возникновении или, может быть, правильнее сказать в принципиальной невозможности вылечить некоторые бактериальные инфекции приводит к совершенно странному сдвигу парадигмы — я говорю о будущем, а не о том, что есть сейчас. Но в принципе выясняется, что, может быть, правильной стратегией для полного излечивания некоторых заболеваний является не попытка подавить рост клеток, а, наоборот, нужно клетки стимулировать к росту. То есть можно себе представить, что, пытаясь избирательно выключить функцию некоторых токсин-антитоксиновых систем, снизив долю тех клеток, которые почему-то сейчас не растут, хеджируя будущие риски и стимулируя их к росту, вы можете тем самым экспонировать действие всех тех замечательных антибиотиков, которые медицина накопила в последние годы, и тут они уже будут ваши, никуда они от вас не уйдут. Но это некое дело будущего.

Константин Северинов