Биологические системы могут вести себя как братья и сестры по-разному, в том числе заимствуя что-то и никогда не возвращая это. По данным исследовательского сотрудничества нескольких институтов, похоже, именно это сделала иммунная система человека с белком, который теперь помогает связывать и регулировать субъединицы, составляющие антитела. Они обнаружили, что до того, как иммунная система эволюционно адаптировала его, этот белок изначально принадлежал к семейству генов, ответственных за направление клеткам перемещения в нужное место в нужное время для удовлетворения конкретных функциональных потребностей.
Исследователи, в том числе Кадзухико Кавасаки, доцент кафедры антропологии Пенсильванского университета, опубликовали свои выводы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . По мнению команды, хотя эта работа в первую очередь дает фундаментальное понимание одной особенности иммунной системы и связанных с ней генов, она также может помочь открыть пути разработки будущих методов лечения, таких как персонализированные иммунные реакции.
«Все откуда-то происходит, и мы считаем, что нашли происхождение соединительной цепи иммуноглобина (J-цепи), важной иммунной молекулы», — сказал автор-корреспондент Мартин Ф. Флайник с кафедры микробиологии и иммунологии Университета Мэриленда, который руководил исследованием. . Флайник также получил степень бакалавра биологии в Пенсильванском университете в 1978 году, а затем получил степень магистра в Рочестерском университете.
J-цепь собирает и стабилизирует два типа антител, называемые иммуноглобином М (IgM) и иммуноглобином А (IgA). Он специфически регулирует структуру молекул IgM и IgA, которые имеют несколько субъединиц, и необходим для их перемещения по слизеобразующим тканям, выстилающим структуры тела при внешнем воздействии, такие как кишечник, полость носа и легкие.
Исследователи обнаружили, что J-цепь произошла от хемокинов CXCL, особого семейства белков, которые регулируют способность лейкоцитов перемещаться по организму.
«Подобно самому иммуноглобину и адаптивному иммунитету, подобному человеческому, J-цепь возникла у челюстных позвоночных, но ее происхождение остается загадочным с момента ее открытия более 50 лет назад», — сказал Флайник. «Это открытие никогда не ожидалось. Движение, управляемое хемокинами, является жизненно важной функцией иммунной системы, но совершенно другой функцией по сравнению с J-цепью!»
Эволюционно новые гены часто генерируются из генов, которые физически расположены близко друг к другу на хромосоме, и эти гены обычно остаются сгруппированными вместе, даже когда они развивают разные, но схожие функции, но Кавасаки сказал, что местоположение не является единственным решающим фактором для определения происхождения.
«Эволюционное родство генов обычно можно обнаружить, когда два гена сохраняют схожие нуклеотидные последовательности или кодируемые аминокислотные последовательности», — сказал Кавасаки, имея в виду материалы, составляющие генетический код организма. «Но предыдущие исследования не смогли обнаружить ни одного гена, который имел бы сходство последовательности с геном J-цепи, вероятно, потому, что последовательность гена J-цепи была быстро изменена в ее начале».
Флайник сказал, что у него было предчувствие, что J-цепь связана с группой генов секреторного кальций-связывающего фосфопротеина (SCPP) из-за их схожего заряда и уровней пролина, аминокислоты. Он знал, что Кавасаки был экспертом по генам SCPP, поэтому написал ему по электронной почте, чтобы оценить эту идею.
«Он сказал мне, что по разным веским причинам SCPP и цепочка J не связаны между собой», — сказал Флажник. «Это было грустно, поскольку это была моя любимая гипотеза».
Однако Кавасаки заметил, что гены на противоположной стороне гена J-цепи, вдали от генов SCPP, по-видимому, действительно связаны с J-цепью. Это были гены хемокинов CXCL.
«Я немедленно проверил эти гены хемокинов CXCL и обнаружил, что, хотя эти гены не имеют сходства последовательностей с генами J-цепи, эти гены и ген J-цепи похожи друг на друга с другими различными характеристиками», — сказал Кавасаки.
Эти характеристики включают одинаковое количество экзонов, кодирующих белок, и фаз интронов, которые действуют как прерыватели, останавливая или запуская сплайсинг молекул РНК, транскрибируемых из гена. Второй экзон кодирует одну и ту же последовательность, известную как классический трипептид цистеин-Х-цистеин для обоих генов. Длины трех экзонов также схожи.
«Ни один другой ген, кодирующий секретом человека, который включает в себя все белки, которые могут секретироваться клетками организма, не обладает всеми тремя характеристиками», — сказал Кавасаки.
Однако связи между молекулами цистеина, кодируемыми вторым экзоном в каждом гене, совершенно отличаются друг от друга, говорят исследователи.
«Это означает, что хемокин может в значительной степени изменить свою структуру и взять на себя новую функцию», — сказал Флайник.
Далее исследователи заявили, что планируют выяснить, взяли ли хемокины на себя другие функции, в частности, в иммунной системе. Они также хотят изучить, являются ли хемокины гибкими по своей структуре, что может указывать на способность принимать совершенно новую вторичную структуру, адаптируясь в ответ на различные биологические потребности по мере необходимости.
«Я занимаюсь наукой уже давно, 44 года, но этот опыт был одним из самых невероятно приятных и удачных», — сказал Флайник. «Я сомневаюсь, что это сходство было бы обнаружено в течение длительного времени без случайного взаимодействия между мной и Кадзухико».
