Ученые выяснили, что грудное молоко борется с микробами еще со времен динозавров

Фото из открытых источников

Материнское молоко издавна славится своими иммуностимулирующими свойствами, и исследователи теперь точно проследили, как один из его защитных белков научился убивать бактерии. Для этого они реконструировали древние формы белка на основе генетических данных, воссоздали его фрагменты в лаборатории, а затем провели обратное проектирование эволюции, чтобы проследить за формированием противобактериального оружия на протяжении длительного времени.

Этот белок — лактоферрин, содержащийся в молоке, слезах, слюне и некоторых иммунных клетках. Внутри него находится меньший фрагмент, короткий участок строительных блоков, называемый лактоферрицином, который пищеварительные ферменты могут отщеплять и превращать в мощный бактерицидный фрагмент. Ученые из Университета Орегона хотели выяснить, как это скрытое оружие вообще появилось и как оно продолжало совершенствоваться на протяжении миллионов лет, вплоть до различий, отличающих человека от других человекообразных обезьян. Результаты их исследований опубликованы в журнале PLOS Biology .

Чтобы это выяснить, команда реконструировала, как, вероятно, выглядел этот белок у самых ранних млекопитающих, еще до того, как он превратился в лактоферрин. В результате получилась четкая история происхождения молекулярного оружия, которое до сих пор эволюционирует у человекообразных обезьян, включая человека.

Лактоферрин существовал не всегда. Он появился в результате дублирования более древнего белка, переносящего железо, называемого трансферрином, у общего предка плацентарных млекопитающих, примерно 160 миллионов лет назад. Главная задача трансферрина — переносить железо по кровотоку и передавать его клеткам. Лактоферрин, образовавшийся из этой дополнительной копии, получил вторую функцию: борьбу с бактериями и другими микробами.

Чтобы проследить этот путь, команда использовала метод, называемый реконструкцией предковых последовательностей. Опираясь на сотни общедоступных последовательностей генов из всего генеалогического древа позвоночных, они ввели данные в специализированное программное обеспечение, которое предсказывает, как, скорее всего, выглядели строительные блоки белка в определенные моменты далекого прошлого. Затем они синтезировали эти древние фрагменты в лаборатории и сравнили их с реальными живыми бактериями.

Исследователи воссоздали четыре исходных варианта. Один представлял собой белок непосредственно перед дупликацией, снимок трансферрина до появления лактоферрина. Второй отражал самый первый лактоферрин после разделения. Два других обозначали промежуточные стадии на пути к современным человеческим и бычьим версиям. Для сравнения команда также протестировала соответствующие фрагменты современного человеческого трансферрина, человеческого лактоферрина и коровьего лактоферрина.

Исследователи протестировали фрагменты на четырех опасных бактериях: Pseudomonas aeruginosa, возбудителе внутрибольничных инфекций и муковисцидоза; Escherichia coli; Staphylococcus aureus; и Streptococcus agalactiae, возбудителе тяжелых инфекций у новорожденных. Была выявлена четкая закономерность.

До дублирования этот белок практически не взаимодействовал с бактериями. Сразу после этого первый предок лактоферрицина в умеренной степени уничтожал микробы, в основном в больших дозах против P. aeruginosa и E. coli. Что еще более показательно, этот самый ранний предок мог делать то, чего фрагмент трансферрина никогда не мог: пробивать отверстия в бактериальных мембранах. Прорыв клеточной мембраны — один из основных способов уничтожения микробов иммунной системой, и каждый предковый фрагмент, даже самый древний, справлялся с этим.

В процессе эволюции изменилось то, насколько тщательно выполнялась работа. Бактерии, пораженные древнейшим предком, часто восстанавливались после первоначального удара. Бактерии, подвергшиеся воздействию современной коровьей версии, погибали в течение двух часов, и колоний не оставалось. Микроскопические изображения наглядно это демонстрировали. Клетки, обработанные более старыми фрагментами, показывали небольшие локальные вмятины на своих внешних мембранах, но в остальном выглядели довольно нормально, в то время как клетки, обработанные современным бычьим лактоферрицином, просто деформировались, сжимались, округлялись и теряли свои мембраны в цитоплазме. Однако этот процесс не был равномерным. Человеческий лактоферрицин оказался слабее против некоторых бактерий, чем некоторые его предки, существовавшие задолго до него, поэтому сила этого оружия возрастала и снижалась по разным ветвям, а не двигалась прямо вверх.

Что же вызвало этот скачок? Между первым исходным лактоферрицином и вторым, более мощным, исследователи обнаружили всего три различия в последовательности. Одно из них имело наибольшее значение: замена в позиции 8, где нейтральный строительный блок, называемый глутамином, уступил место положительно заряженному, называемому аргинином. Чтобы проверить это, команда создала два измененных пептида: они добавили аргинин к более слабому исходному пептиду и удалили его из более сильного. Добавление аргинина повысило эффективность более слабого пептида против P. aeruginosa до уровня более сильной версии; удаление аргинина ослабило более сильный пептид. Для этого микроорганизма единственный строительный блок был одновременно необходим и достаточен для объяснения этого скачка.

В случае с золотистым стафилококком ситуация стала более запутанной. Удаление аргинина из более сильного предка свело на нет его эффективность, поэтому изменение было явно необходимо. Но добавление его к более слабому предку оказалось недостаточным, чтобы сделать этот пептид убийцей стафилококка, что говорит о том, что другие характеристики молекулы также имеют значение. Пептиды, убивающие бактерии, действуют не на все микробы одинаково, и, по-видимому, эволюция настраивает это оружие по-разному в зависимости от цели.

По всей видимости, некоторые из наиболее резких изменений произошли недавно и наблюдаются в генеалогическом древе семейства приматов. Более ранние работы той же лаборатории выявили два участка в фрагменте лактоферрицина, которые эволюционируют необычайно быстро у приматов, что позволяет предположить, что естественный отбор активно изменяет их структуру.

Позиция 5 особенно показательна. У людей и многих обезьян на этом месте находится глутамин. У шимпанзе и других человекообразных обезьян вместо него расположен аргинин. Чтобы проверить, имеет ли значение это различие, команда создала человеческий лактоферрицин с версией, обнаруженной у человекообразных обезьян, на позиции 5 и сравнила его со стандартной человеческой версией. В лабораторных тестах вариант, подобный варианту у человекообразных обезьян, явно превосходил стандартный человеческий вариант по эффективности против S. aureus и четырех других видов стафилококков. Другими словами, против этих стафилококковых бактерий у людей, по-видимому, используется несколько более слабая версия этого пептида, чем у шимпанзе и других человекообразных обезьян. Это различие проявилось именно против стафилококков и ничего не говорит о том, лучше ли человекообразные обезьяны борются с инфекцией в целом. Позиция 12 показала более тонкие эффекты, с небольшими, но постоянными различиями от одного вида к другому.

Помимо изучения эволюции иммунных белков, эта работа имеет практическое значение. Поскольку устойчивость к антибиотикам продолжает расти во всем мире, ученые все чаще рассматривают бактерицидные пептиды в качестве альтернативы или дополнения к стандартным лекарствам. Так как некоторые из этих возрожденных предков оказались эффективными, в том числе и против микробов, с которыми современный человеческий лактоферрицин не справляется, они представляют собой привлекательные шаблоны для новых методов лечения.

Ни один из фрагментов, ни древних, ни современных, не причинил существенного вреда эритроцитам в лабораторных тестах, что говорит о том, что их губительная способность достаточно избирательна по отношению к бактериям, а не к клеткам в целом. Такая избирательность имеет огромное значение в разработке лекарств, где побочный ущерб человеческим клеткам может сорвать перспективный кандидат. Однако все это основано на экспериментах в лабораторных условиях, включая тесты на эритроцитах с использованием крови крупного рогатого скота. Превращение древнего пептида в безопасное и эффективное лекарство для людей потребует многих лет дальнейших исследований.

Оказывается, репутация грудного молока как источника здоровья уходит корнями глубоко в эволюционную историю, и белок, лежащий в его основе, оттачивал свою стратегию уничтожения вредных веществ на протяжении примерно 160 миллионов лет. Тот факт, что эта стратегия до сих пор меняется у ныне живущих приматов, говорит о том, что древняя гонка вооружений между млекопитающими и бактериями еще далека от завершения.

* Информация представлена исключительно в ознакомительных целях и не служит рекомендацией для лечения заболеваний