Stój, kto idzie?!

Rozróżnić swojego od obcego musi każdy: duży i mały. Od tego może zależeć przeżycie. Bakterie robią to w sposób, który można ująć palindromem: „A kto kiwał psa, spławi kotka”. Choć chodzi raczej o to, by kotka rozpoznać i „spławić” po wojskowemu, a nawet po bolszewicku – sztob ni dychał.

Wychowałam się na psie Szariku i czterech tankistach oraz Klossie. Moje dzieciństwo naznaczyły środowe wieczorne projekcje filmów wojennych produkcji wytwórni Mosfilm. Do dziś pamiętam sceny panoramiczne, na których mniej lub bardziej zaspany żołnierz poprawiał furażerkę czy hełm z krasną zwiezdą lub nieukoronowanym orzełkiem, obciągał szynel i wystawiał groźnie karabin, krzycząc do kamery: „Stój, kto idzie?!”. I nie ma co udawać, że nie było tych filmów i inspirowanych przez nie podwórkowych zabaw w wojnę.

Takie same gry wojenne toczymy, gdy bronimy się przed zarazkami. W takie same „bawią się” bakterie, gdy zwalczają intruzów i przeciwników molekularnych.

Swój – nie swój?
Oto dylemat, przed którym nieustannie stoi każdy układ immunologiczny. Zła odpowiedź kończy się zakażeniem lub reakcją autoimmunologiczną. I choć nie wszystkie wyzwania stojące przed systemami odporności przypominają pole minowe czy skład niewybuchów, gdzie saper myli się tylko raz, to wiele spośród ewentualnych błędów może zakończyć się utratą życia. Zarówno dla nas, którzy walczymy z drobnoustrojami, jak i dla drobnoustrojów, które walczą z atakującymi je obcymi kwasami nukleinowymi. Bakterie muszą sobie poradzić bez receptorów komórkowych, przeciwciał, limfocytów i profesjonalnych fagocytów, bez całej tej wielokomórkowej maszynerii. Zaś cząsteczek DNA (fagów i plazmidów) pragnących zakazić bakterie istnieją równie rozliczne i różnorodne rodzaje, jak pragnących zaatakować nas bakterii. Stojące zatem przed prokariontami i tkankowymi eukariontami wyzwanie ma podobną skalę. Wiemy, jak z problemem radzą sobie kręgowce, a zwłaszcza ssaki i korona stworzenia – Homo sapiens, ale…

…jak to robią bakterie, pozostawało tajemnicą
Opublikowane niedawno w „Nature” prace Luciano Marraffiniego i Erika Sontheimera z Northwestern University w Branston, Illinois, oraz całe naznaczone „Siedemnastoma mgnieniami wiosny” dzieciństwo zmuszają mnie zatem, by trochę opowiedzieć o mechanizmie zwanym CRISPR, czyli: jak to robią bakterie.

Skrót CRISPR pochodzi z angielskiego Clustered Regularly Interspa­ced Short Palindromic Repeat, co oznacza skupione, oddzielone regularnymi przerwami powtórzenia palindromiczne. Palindromy, czyli takie sekwencje DNA, które mogą być czytane w obu kierunkach identycznie, są wykorzystywane jako sygnały wykrywane przez różne mechanizmy rozpoznawania określonych miejsc w DNA (częstokroć w celach destrukcyjnych – tak przecież działają systemy restrykcji-modyfikacji). Przyczyna jest oczywista: kod DNA jest czteroliterowy. Pojawienie się trzyliterowego palindromu jest – statystycznie rzecz ujmując – jeszcze częstsze, niż dla przeciętnej osoby wymyślenie palindromu typu „oko” (to może być przypadek czy łut szczęścia). Pojawienie się w DNA palindromu o długości sześciu liter to już wyzwanie. Natomiast pojawienie się powtórzeń palindromowych oddzielonych przerwami DNA o określonej długości i sekwencji jest dla ewolucji wyzwaniem równie trudnym, co palindrom „może jutro ta dama sama da tortu jeżom”. A jak coś nie może być przypadkowe, to na pewno da się znaleźć mechanizm, który te nieprzypadkowe sygnały wykorzystuje – w tym przypadku do rozpoznania i zabicia intruza, przy jednoczesnym oszczędzeniu własnego materiału genetycznego przed samounicestwieniem.

Regiony CRISPR ewoluują bardzo szybko, tak by nadążyć w wyścigu zbrojeń za ciągłymi dynamicznymi zmianami atakujących bakterie populacji fagów i plazmidów. Odporność bakterii wymaga, by istniało parowanie – na zasadach Watsona i Cricka – pomiędzy sekwencjami atakujących cząsteczek DNA a owymi przerwami oddzielającymi powtarzające się palindromy CRISPR. Każdy CRISPR jest genetycznie podłączony do zestawu genów zwanych CAS, a te z kolei kodują 40 różnych typów białek zaangażowanych w adaptację do zmieniających się populacji cząsteczek atakującego DNA i interferencję, która ma doprowadzić do ich unieszkodliwienia. Same zaś CRISPR kodują małe cząstki RNA (crRNA), których zadaniem jest związanie się z DNA intruza, oznakowanie go i wprowadzenie go na ścieżkę nukleinowej zagłady. Owe cząsteczki crRNA obejmują swą sekwencją całą przerwę pomiędzy powtórzonymi palindromami oflankowaną przez fragmenty tychże palindromów. Owa zaś przerwa to nie jakiś genetyczny bełkot bez znaczenia, tylko sekwencja odpowiadająca sekwencjom specyficznym dla określonej cząsteczki obcego DNA pragnącej dokonać inwazji.

Stirlitz czy James Bond?
Oczywiście w tym momencie rodzi się pytanie: jak w takim razie bakteria nie niszczy za pomocą tych produkowanych przez siebie kawałeczków crRNA swojego własnego DNA, które obejmuje sekwencje CRISPR? Czyli: jak rozpoznaje swojego od obcego, skoro sam mechanizm działa dzięki temu, że „swoje” i „obce” jest bardzo podobne? Odpowiedź tkwi (przynajmniej w przypadku szczegółowo zbadanego w tej materii gronkowca skórnego) w zawartych w crRNA fragmentach palindromowych powtórzeń flankujących przerwy. To tu, jeśli parowanie pomiędzy zasadami DNA a crRNA istnieje, ale nie jest idealne, cząsteczka DNA zostaje uznana za intruza i „zabita na mur beton”. Oczywiście, system nie jest stuprocentowo skuteczny, tak jak każdy inny układ odporności. Jednak mechanizm rozpoznawania – podobnie jak w przypadku naszych receptorów limfocytów T czy przeciwciał – jest w stanie ciągłej zmienności.

Nie ma w nim nic topornie krasnoarmiejskiego. Chyba, że dylematem swój-obcy w całej Czerwonej Niezwyciężonej zajmowałby się spory pułk złożony wyłącznie z eleganckich, inteligentnych, oczytanych, władających językami obcymi i posiadających nienaganne maniery Maxów Otto von Stirlitzów vel pułkowników Isajewów. To już może lepiej Jamesów Bondów? Ale to niestety nie był bohater mojego dzieciństwa…