CRISPR-индуцированное иммунное разнообразие в популяциях хозяина и вируса
Новое исследование под руководством профессоров Шая Пилософа, Рэйчел Уиткер и Мерседес Паскуаль раскрывает роль диверсифицированного иммунитета в динамике взаимодействий «хозяин–патоген». Результаты опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.
Мотивация и система CRISPR-Cas
Целью исследования было понять, как структура иммунитета в микробных популяциях влияет на динамику вирусно-хозяиных взаимодействий. Система CRISPR-Cas, известная своими применениями в генной инженерии (Нобелевская премия по химии, 2020), изначально является адаптивной иммунной системой микробов. В ней сегменты ДНК инфицирующего вируса («протоспейсеры») включаются в геном хозяина («спейсеры») и используются для распознавания и уничтожения вирусов.
Режимы популяционной динамики
С помощью вычислительных моделей ученые исследовали влияние иммунного разнообразия микробов на популяционную динамику. Моделирование выявило два чередующихся основных режима:
- Режим диверсификации вирусов (VDR): вирусы размножаются и диверсифицируются.
- Режим контроля со стороны хозяина (HCR): хозяева сдерживают диверсификацию вирусов, что ведет к их вымиранию.
В режиме VDR диверсификация вирусов (за счет мутаций в протоспейсерах) стимулировала и диверсификацию хозяев, которые приобретали новые спейсеры, увеличивая разнообразие CRISPR.
Роль вложенной иммунной структуры
Ключевым открытием стала взвешенная вложенность иммунной сети. Это означает, что одни штаммы микробов обладают избыточным иммунитетом ко многим вирусам, а другие — ограниченным иммунитетом к немногим. Именно такая структура приводит к динамике, где стабильность хозяев прерывается вирусными эпидемиями.
Проверка теории и будущие направления
Предсказанная теорией структура иммунитета была подтверждена при сравнении с эмпирическими данными из природных систем, показавшими наличие контроля над вирусами через распределенный и избыточный иммунитет.
Следующим шагом станет проверка модели в динамических природных системах, таких как горячие источники и очистные сооружения, где относительно мало видов вирусов и микробов.
Практическое значение
Понимание этой динамики позволит лучше контролировать микробные популяции в промышленных условиях (очистка сточных вод, производство йогурта, растворителей), где сбои часто вызваны вирусными эпидемиями. Управление разнообразием и структурой CRISPR может помочь в создании стабильных микробных популяций, устойчивых к вирусным инфекциям.