Bakterie w sieci, albo ciemna strona DNA

16Mar10

They certainly seem to fit the temperament of a cell with a short lifespan and suicidal „killer instinct”

Papayannopoulos & Zychlinsky, 2009
Jeśli obejrzeć pod mikroskopem kroplę płynu z naszych organizmów, to okaże się, że wypełniają je tysiące drobnoustrojów. Drobne komórki poruszają się, pełzają, reagują na przeróżne bodźce i ogólnie bardziej przypominają inwazję jakiejś choroby niż komórki naszego ciała — którymi w istocie są. Ba, niektóre z nich nawet nie mają dokładnie takiego samego genomu jak my. Wyobrażenie, że jestem w pewnym stopniu ekosystemem albo populacją organizmów, czymś w rodzaju kopca mrówek albo kolonii bakterii (która myśli, chodzi i czuje) skręca mózg.

Apoptoza

Wszystkie komórki w naszych ciałach poddawane są ścisłej kontroli. Byle co — i otrzymują list od Nerona, po którym pozostaje tylko popełnić rytualne samobójstwo — apoptozę. Apoptoza tym jednak różni się od, dajmy na to, harakiri, że poddająca się jej komórka nie tylko rozpruwa sobie brzuch, ale wyjmuje organy wewnętrzne, ładnie je układa, pakuje i przygotowuje do konsumpcji. Podczas apoptozy nie następuje bezładna śmierć komórki (bezładną śmierć nazywa się nekrozą), ponieważ po pierwsze, byłoby to marnotrawstwo, a po drugie, zanieczyszczałoby środowisko aktywnymi enzymami z wnętrza komórki. Organelle komórek podlegających apoptozie zostają opakowane w błonę tworząc ciałka apoptotyczne, które następnie są konsumowane przez fagocyty.

O ile proces apoptozy można porównywać do eleganckiego seppuku, o tyle to, o czym chcę napisać dzisiaj bardziej przypomina harakiri, po którym samobójca dusi wroga jelitami wyprutymi ze swego brzucha. Jest to także jedyny znany mi przykład funkcjonalnego wykorzystania DNA w celu zupełnie nie związanym z przenoszeniem informacji genetycznej.

Neutrofil fagocytujący pałeczkę wąglika (Wikimedia Commons).

Dla otaczających nas bakterii, grzybów i innych mikroorganizmów jesteśmy chodzącymi kawałami mięsa, pełnymi niemal czystej energii czekającej tylko na wykorzystanie. Dlatego nasze własne mikroorganizmy — komórki układu odpornościowego — muszą cały czas pracować nad eliminowaniem próbujących nas skolonizować mikrobów. Pierwszą linię obrony stanowią między innymi wyspecjalizowane komórki układu odpornościowego, leukocyty zwane neutrofilami albo PMN (leukocyty polymorfonuklearne). Neutrofile żyją krótko, ale intensywnie, a ich komórki są naładowane po brzegi bronią biologiczną.

Neutrofile rozprawiają się z bakteriami na wiele sposobów. Po pierwsze, zjadają je (fagocytują). Wchłaniane bakterie, otoczone fagosomem, są zabijane przy pomocy reaktywnych form tlenu i różnych specjalnych enzymów. Nie dosyć tego — aktywowane neutrofile dodatkowo wydzielają specjalne sygnały (cytokiny pobudzające stan zapalny), potęgujące odpowiedź immunologiczną organizmu. Nieuchronnym losem wszystkich neutrofili jest apoptoza w niespełna dobę od ich powstania — jednak póki neutrofile mają co robić, proces apoptozy jest częściowo wstrzymany (Simon HU, 2003). I odwrotnie: póki neutrofile biorące udział w tworzeniu stanu zapalnego nie zostaną usunięte, zapalenie będzie trwało.

Neutrofil. Trzy ciemniejsze płaty to segmenty jądra; pozostałe nieregularności to właśnie ziarnistości -- lizosomy zawierające bakteriobójcze enzymy.

Fagocytoza to nie jedyna broń neutrofilli. Neutrofile i inne pokrewne im leukocyty określa się mianem granulocytów — nazwa pochodzi od lizosomów widocznych jako ziarnostości bądź „granulki” na zdjęciach mikroskopowych. Ziarnistości neutrofili zawierają silnie bakteriobójcze enzymy. Neutrofile wydzielają je na drodze egzocytozy — nazywa się to degranulacją — co może mieć wszystkie wady i zalety stosowania napalmu na polu bitwy. Zawarte w ziarnistościach enzymy działają mało specyficznie, a więc nie tylko niszczą bakterie, grzyby czy nawet wirusy, ale i komórki gospodarza.

Enzymy wydzielane przez neutrofile to wysoce skuteczny bakteriobójczy koktajl. Myeloperoksydaza (MPO) powoduje wytwarzanie kwasu podcholorawego, a w rezultacie reaktywnych form tlenu. Proteinazy serynowe takie jak elastaza neutrofilowa lub katepsyna G bezpośrednio atakują peptydy bakteryjne; nawet jeśli nie prowadzi to bezpośrednio do śmierci bakterii, to przynajmniej może zneutralizować bakteryjne antygeny. Laktoferyna wyłapuje jony żelaza, w ten sposób ograniczając wzrost bakterii. Defensyny to malutkie białka o silnym ładunku dodatnim, które potrafią dosłownie przedziurawić ujemnie naładowaną ścianę komórkową bakterii czy grzybów, a nawet utrudnić wtargnięcie cząstek wirusa do komórek gospodarza. Dodatnio naładowane fosfolipazy (takie jak G2-PLA2) także penetrują ścianę komórkową bakterii, docierają do błony komórkowej i degradują zawarte w niej fosfolipidy, aktywując bakteryjne autolizyny, co z kolei prowadzi do uszkodzenia ściany bakteryjnej i eksplozji komórki w wyniku sił osmotycznych.

Okładka z Science ukazująca bakterie z gatunku Staphylococcus aureus złapane w sieć wyrzuconą przez neutrofile

Trzecią broń neutrofili opisano niedawno (Brinkmann 2004). Okazuje się, że pobudzone do działania neutrofile, oprócz fagocytozy i degranulacji zdolne są też do innego procesu — zastawiania sieci. W pewnych warunkach neutrofile zaczynają przechodzić wewnętrzną przemianę: rozpuszczają membrany otaczające jądra i ziarnistości (lizozymy) i rozplątują skondensowaną chromatynę (czyli nitki DNA ściśle nawinięte na histony niczym nikta na kłębku). Do rozplątanego DNA przywierają białka z ziarnistości — te wszystkie substancje, które czynią neutrofile tak niebezpiecznymi. Wreszcie neutrofil uwalnia tak przygotowaną sieć — prawdopodobnie po prostu rozpadając się w procesie, który bardziej przypomina nekrozę niż apoptozę.

Do uwolnionej sieci przyklejają się bakterie. W dużej mierze proces ten wynika po prostu z tego, że wiele antybakteryjnych białek ma silny dodatni ładunek elektryczny, podczas gdy ściany bakterii są zazwyczaj naładowane negatywnie (Papayannopoulos 2009). Samo to już może ułatwić pracę innym leukocytom. Oprócz tego komórkę bakterii bezpośrednio atakują enzymy z lizozymów przyczepione do sieci i reaktywne formy tlenu wytwarzane przez myeloperoksydazę. Dzięki temu, że są związane siecią DNA, obszar działania antybakteryjnych enzymów jest bardziej ograniczony niż w przypadku degranulacji. Dodatkowym bonusem jest unieruchomienie bakterii, i to w pobliżu równie unieruchomionych enzymów, co może zwiększać ich efektywne stężenie. Bakterie zostają złapane w opartą na DNA sieć, która je trawi i niszczy.

Neutrofile (białe strzałki), plemniki (strzałki w kropki) i NET (strzałki w paski)

W ciągu paru lat od odkrycia, zewnątrzkomórkowe pułapki neutrofilowe — NET, czyli neutrophil extracellular traps — zostały powiązane z wielu chorobami, ale też naturalnymi procesami. Okazuje się, że bardzo ciekawe powiązanie łączy neutrofile, formację NET i spermę. Mimo, iż głównym zadaniem plemnika jest przenoszenie DNA, sperma zawiera znaczną ilość enzymu niszczącego DNA — DNAzy. O tym, że obecność spermy w żeńskich drogach rodnych wywołuje odpowiedź immunologiczną właśnie głównie ze strony neutrofili, wiadomo było od dawna. Jej celem jest eliminacja niepotrzebnych plemników oraz innych organizmów, które mogły dostać się przy kopulacji. Wiadomo też było już wcześniej, że substancje zawarte w spermie mają działanie przeciwzapalne — co zapewne ma mitygować odpowiedź zapalną stymulowaną przez plemniki; a także to, że plemniki mogą ulec związaniu przez neutrofile.

Okazuje się, że być może wiązanie przez neutrofile plemników w żeńskich drogach rodnych wynika z tworzenia sieci-pułapek z DNA — NET-ów. To by tłumaczyło także obecność DNAzy w spermie. Rzeczywiście, cały ten proces został zademonstrowany eksperymentalnie (Alghamdi & Foster 2005). Neutrofile w kontakcie z plemnikami rzeczywiście tworzą NET-y, a DNAza ze spermy faktycznie może uwolnić plemniki z pułapki. Co więcej, wydaje się, że działanie spermy jest wysoce specyficzne — innymi słowy, chociaż zawarte w niej substancje chronią plemniki przed neutrofilami, to nie uniemożliwiają neutrofilom zwalczania bakterii.

Odkrycie NET-ów z początku zostało przyjęte, delikatnie mówiąc, sceptycznie — niezależnie od artykułu i obrazku na okładce w Science. Teraz ich istnienie wydaje się już dość dobrze potwierdzone, chociaż nadal jest wiele pytań. Istnienie NET-ów i pokrewnych im ET wykazano też w niektórych innych granulocytach. Które komórki jeszcze zdolne są do takiego działania? Jak dokładnie wygląda regulacja tego procesu i w jakich warunkach neutrofile decydują się na samobójczą misję? NETy powiązano też z różnymi chorobami, m.in. mukowiscydozą i pewnymi schorzeniami układu immunologicznego, lecz ich dokładna rola w tych i innych schorzeniach nie jest jeszcze poznana.

Źródła



10 Responses to “Bakterie w sieci, albo ciemna strona DNA”

  1. 1 RobertP

    Dzięki Ci. Kiedyś dzieci oglądały kreskówkę „Ozzy i Drix”, ale tam nie mieli nawet ułamka arsenału, jaki opisałeś.

    • 2 ztrewq

      Hah! A wiesz, jak mnie to bawi? Na studiach się uczyłem, jakie są typy granulocytów, uczyłem się o tych wszystkich mieloblastach, promielocytach, mielocytach i cholera wie czym jeszcze, jak je wybarwiać, jak je odróżniać, ale nie dowiedziałem się czy nie zrozumiałem PO CO to wszystko jest.

      Nb „kiedyś” to dzieci oglądały „Było sobie życie” :-)

      • 3 anuszka

        Aż sprawdziłam:
        http://en.wikipedia.org/wiki/Once_Upon_a_Time…_Life

        Neutrophil granulocytes – represented by foot-patrol „policemen” which are completely white in color, and wear a yellow star badge. They carry batons and swallow any body parasites that they find. They can clone themselves. Most of the time they function as traffic cops. Their commander is the same but with a European-human-colored head, and is named Jumbo or Jumbo Junior (a version of Jumbo).

        To oni:

        Wyobraźcie sobie teraz wersję po 22:00, jak panowie policjanci rozpłatawszy własne brzuchy obrzucają wroga jelitami, które po drodze splątują się w sieć!

        • 4 RobertP

          Anuszko
          koncepcja „Było sobie życie” w wersji japońskiego kreskówki gore po 22 – śliczności :-)

  2. 5 dyspensor

    Chyba jeden z najlepszych wpisów na tym blogu, jakie czytałem. To wszystko jest rzeczywiście fascunujące.

    A co do „Było sobie życie” – ostatnio wydali wszystkie odcinki na DVD i nawet sobie sprawiłem, ale trochę się niestety rozczarowałem. Fajne, ale mimo wszystko jest to film sprzed 30 lat :) Szkoda, że nie ma czegoś podobnego, ale trochę aktualniejszego.

    • 6 magda

      O, czy to znaczy, że chcesz sprzedać? Bo ja już dawno chciałam to dzieciom zdobyć… ;)

  3. Jak nie cierpię tych wszystkich granulocytów, limfocytów, rozmaitych eozynofili czy neutrofili oraz całej tej ferajny, to bardzo mi się podobała i bardzo była ciekawa ta notka. Dzięks :-)

  4. Super wpis!! Niesamowicie to interesujące, co opisujesz! :D Ostatni raz byłem tak zainteresowany czymś, gdy czytałem w najnowszym Świecie Nauki artykuł o mechanizmach ataku bakteryjnego.

    Naprawdę genialna notka!

  5. 9 kwik

    Aż trudno uwierzyć, że specyficzne właściwości DNA z rozpadających się komórek nie zostały nigdy wcześniej wykorzystane, np. przez prymitywne kolonijne eukariota do łapania bakterii. Oprócz samego powstania życia najbardziej zadziwiające jest dla mnie właśnie zdobycie przewagi eukoriotów nad bakteriami – to się chyba w ogóle nie powinno zdarzyć.


  1. 1 nameste

%d bloggers like this: