Дослідницький проєкт "Імунна система протистів"

Учнівський дослідницький проєкт з біології на тему "Імунна система протистів" був створений учнем 9 класу для того, щоб вивчити схеми та методи дослідження протистів. Автор міні-проєкту намагається довести те, що імунна система протистів різноманітна і складна, порівнюючи з імунною системою тварин та рослин.

Докладніше про проєкт:

Учнівська дослідницька робота з біології на тему "Імунна система протистів", яка розкриває учням 9 класу поняття орфанні гени, дає обгрунтування понятть "імунна система", "протисти" і "цистеїнові протеази". Учень у роботі визначив також, що протисти мають механізми імунного захисту, та що імунна система протистів - це великий обсяг цінного матеріалу для вивчення.

Вміст дослідницької роботи над навчальним проєктом з біології про імунну систему протистів містить матеріал про дослідження протистів та їх захист, про цистеїнові протеази та імунну відповідь на віруси. Учень 9 класу в рамках проєкту формує висновки, та приводить перелік литератури про імунну систему протистів.

Зміст

Вступ
1. Імунна система
2. Проти́сти та їх дослідження.
3. Захист протистів.
4. Цистеїнові протеази
5. Імунної відповіді на віруси.
Висновки

Людина сприймає віруси однозначно як шкідників. Це твердження, звичайно, не є безпідставним, оскільки віруси здатні вести лише паразитичний спосіб життя, використовуючи ресурси клітини для свого розмноження. Але водночас такий погляд багато в чому зумовлений нашим особистим досвідом «стосунків» із вірусами.

Коли, для прикладу, ми підхоплюємо грип (ортоміксовірус), нам погано: кашель, чихання, температура, сотні тисяч клітин епітелію дихальних шляхів помирають через зараження, але зрештою ми одужуємо і виганяємо шкідника зі свого організму. А тепер уявіть, що ви – одноклітинна істота. Одна клітина – це і є весь ваш організм. Як тоді будуватимуться ваші стосунки із вірусами? Ось з цим питанням я хочу сьогодні трохи розібратися.

Імунна система - система біологічних структур і процесів організму, що забезпечує його захист від інфекцій, токсинів, тощо. Для правильної роботи імунної системи необхідно, щоб вона вміла розпізнавати широкий спектр патогенів і відрізняти їх від власних здорових тканин організму.

Проти́сти — група різноманітних еукаріотичних організмів, що не входять до складу тварин і рослин, грибів і хроміст. Традиційно протистів поділяють на найпростіших (Protozoa), водоростей (Algae) і грибоподібних організмів. Всі ці групи мають поліфілетичну природу і не використовуються як таксони. Як і багато інших груп, що виділені за «залишковим принципом», найпростіші не відокремлюються з яких-небудь позитивних характеристик.

У 1866 році видатний німецький біолог Ернст Геккель виділив так зване третє царство - Протисти (від грец. протистос - найперший). До цього царства він відніс усіх одноклітинних організмів.

Протисти – це гетерогенний таксон, який об'єднує дуже різноманітних за будовою та процесами життєдіяльності одноклітинних та найпростіших багатоклітинних еукаріотів.

Для організмів, що належать до цієї групи, неможливо вказати ніяких загальних характеристик. До неї відносять еукаріотів, для яких характерна одна особливість, все, що їх об'єднує - це відсутність складної структури.

Всі протисти - це одноклітинні або багатоклітинні організми, що не мають спеціалізованих тканин. Мешкають протисти у різних середовищах – водоймах, ґрунті, оселяються на поверхні або всередині інших істот. З організмом хазяїна вони можуть вступати у різні форми симбіотичних відносин: серед них є паразити, коменсали, а також мутуалістичні види.

Дослідження імунної системи протистів є дуже малочисельними і значні відкриття майже не трапляються, більшість уваги зосереджено на імунній відповіді організмів, на яких паразитують протисти, аніж на їх власній. В основному наші знання про їх імунну систему базуються на припущеннях, а конкретні механізми і структури з ними пов’язані є непаханим полем сучасної імунології.

Розглянимо докладніше які ж віруси паразитують на найпростіших та яку стратегію захисту створили останні. Віруси, які інфікують клітини тварин з одного боку і клітини рослин, архей і грибків з іншого боку, використовують різні стратегії входу, оскільки останні мають клітинні стінки.

1. Клітинні мембрани
Задля того, щоб геноми вірусів і інші необхідні для реплікації компоненти вірусної частки потрапили усередину клітини, вони повинні перетнути одну або більше мембран. Це є не легким завданням, оскільки мембрани є дуже ефективним бар’єром на шляху вірусних часток і навіть окремих білків або молекул нуклеїнових кислот.

Клітинна стінка, що оточує плазматичну мембрану рослинної клітини, запобігає прикріпленню і входу вірусів в клітину способами, аналогічними для вірусів тварин, а склад клітинної стінки рослин занадто складний для того, щоби віруси кодували відносно невеликі ферменти, які б могли утворювати в ній отвори, як роблять деякі бактеріофаги.

Тому віруси здатні потрапити в цитоплазму рослинної клітини, тільки через пошкоджені клітинні стінки. З цієї причини рослини заражаються або за допомогою переносників, або через механічні ушкодження.

Міковіруси, також відомі як мікофаги, - це віруси, які інфікують грибки. Інфікування клітин грибка відрізняється від зараження клітин тварин. Гриби мають жорстку клітинну стінку, зроблену з хітину, тому більшість вірусів може потрапити всередину цих клітин лише після травми клітинної стінк

2. Внутрішньоклітинні захисні системи. Знищення вірусу шляхом фагоцитозу

Геноми або нуклеокапсиди деяких вірусів потрапляють до цитозолю через плазматичну мембрану. Інші віруси спочатку поглинаються клітиною за рахунок ендоцитозу, і до цитозолю потрапляють через мембрану ендосоми.

Внутрішньоклітинні захисні системи, наприклад ферменти лізосом, можуть інактивувати вірус до або після проникнення. Наприклад, підчас зараження поліовірусами (родина Picornaviridae) основна частина РНК вірусу руйнується після початку взаємодії вірусу з клітинами. Це відбувається з кількох причин, до числа яких входить невдача у взаємодії вірусу з клітиною, що не дозволяє завершити процес входу вірусу в клітину. Таким чином, замість вивільнення геномної РНК в цитоплазму і її асоціації з рибосомами і далі з білком-репліказою, РНК вірусу руйнується рибонуклеазами.

Віруси зустрічаються всюди на Землі, від атмосфери до глибин океану. Дивно, але, з огляду на велику кількість і багатство вірусів поживними речовинами, не відомо жодних організмів, які вживали б їх в їжу. У журналі Frontiers in Microbiology дослідники публікують перші переконливі докази того, що дві групи екологічно важливих морських протистів, є пожирачами вірусів, ловлячи свою «здобич» за допомогою фагоцитозу - поглинання.

3. Ворог мого ворога - мій друг.
Ще більш дивним способом захисту протистів від вірусів є взаємодія протистів з іншими вірусами. Наведу два приклади такої взаємодії.

Перший вірус-супутник був описаний у 2008 році французькою дослідницькою групою (La Scola, B., Raoult, D.) і названий просто і зрозуміло — Sputnik virus. Він був виділений з одноклітинної амеби Acanthamoeba castellanii. Подальші дослідження виявили, що Sputnik не був самостійним вірусом і потребував допомоги гігантського Мамавірусу, який також інфікував акантамебу (Acanthamoeba castellanii mamavirus — ACMV).

Але цікавішою знахідкою виявилося те, що Sputnik заважав розмноженню Мамавірусу, насамперед порушуючи формування віріонів останнього, в результаті чого вірусні частки Мамавірусу були нездатними до подальшого інфікування клітин акантамеби. Тобто, фактично, Sputnik паразитує на вірусних фабриках Мамавірусу, завдаючи йому шкоди. За таку поведінку Sputnik вірус назвали вірофагом (той, що поїдає віруси) за аналогією із бактеріофагами — вірусами бактерій.

У прибережних океанічних водах серед різноманіття планктонної дрібноти мешкає одноклітинний еукаріот Cafeteria roenbergensis. Життя кафетерії неспокійна - за нею раз у раз полюють гігантські віруси сімейства Mimiviridae. Вони проникають у клітину, організовують там «вірусну фабрику», розмножуються і виходять, вбиваючи кафетерію.

Існує варіант захисту мутуалістичним вірусом протистів на популяційному рівні за допомогою перешкоджанню реплікації вірусу CroV вірусом-транспозоном mavirus з геному протиста, базується такий метод на наявності у геномі протиста мутуалістичного mavirus-у, який у популяції, де був наявний такий ген перешкоджає функціонуванню вірусних фабрик у популяції клітин.

Кафетерія з розгорнутим вірусним виробництвом всередині СroV проникає в клітини кафетерій за допомогою фагоцитозу. Опинившись всередині, вірус руйнує свій капсид і випускає в цитоплазму білки і ДНК. Щоб не залежати від клітинних систем транскрипції і трансляції, він вибудовує так звану вірусну фабрику, де реплікується і збирає свої частки (рис. б). Таку свободу Cro-вірусу надають білки, закодовані в його власному геномі: РНК-полімераза, транскрипційні і деякі трансляційні фактори, тРНК і тРНК-синтетаза. Розмножившись до певної межі, CroV руйнує клітину-господаря і виходить назовні, щоб потім потрапити в сусідні клітини

Але такий метод не спасає саму клітину, яка продукує такий вірус, вона все одно за будь-яких умов схильна до лізису. Популяційний ефект стає видимим, коли популяція протистів без такого mavirus-у просто не виживає, натомість невеликими втратами інша популяція, у якій такий вірус наявний продовжує існування.

Цистеїнові протеази - група ферментів протеаз, що поширені в евкаріотів та прокаріотів. Функцією таких сполук є розщеплення молекул білків. Характерною для активного центру цих протеаз є наявність залишків амінокислот цистеїн, гістидину та аспарагіну.

Цистеїн зв'язується з вуглецем у пептидному зв'язку, утворюючи тіоестерну проміжну сполуку, що призводить до вивільнення аміногрупи. Механізмом роботи таких протеаз є їх можливість регулювання апоптозу у разі зараження вірусом клітини-хазяїна, такий імунітет також є популяційним.

РНК- інтерференція важлива частина імунної відповіді на віруси та інший генетично чужорідний матеріал, який використовується протистами. Метод засновується на зв’язуванні та деградації чужорідної РНК, або в окремих випадках пригнічення трансляції, що для імунітету не є добре. Такий імунітет вже є частиною організменного адаптаційного та вродженого імунітету.

Також імунна відповідь протистів може бути представлена зовсім різними механізмами вродженого імунітету, які наявні у інших організмів і є частиною їх імунної системи, ці механізми можуть бути представлені компонентами системи комплементу, інгібіторами протеаз, металлзв’язуючі білки, карбонзв’язуючі білки та інші молекули, як гуморальні засоби захисту.

Також існують НАДФН-оксидаза, супероксиддисмутаза і інші ферменти респіраторного вибуху для виробництва токсичних кисневих радикалів і синтази оксиду азоту для виробництва оксиду азоту. В їхньому арсеналі можуть бути антимікробні пептиди і літичні ферменти.

Імунна відповідь може бути організована різноманітними цитокінами, але і ще раз але всі ці засоби не мають підтвердження їх наявності, їх можливе існування у протистів є гіпотетичним припущенням, яке під собою не має дослідницької бази, за причин які я зазначив на окремому слайді, це те що може собою являти імунна система протистів, головне тут перетворити МОЖЕ на Є або НЕ Є.

Отже, як бачимо протисти мають кілька способів захисту від вірусів, таких як клітинні мембрани, внутрішньоклітинні захисні системи, знищення вірусу шляхом фагоцитозу. Та самим дивовижним є взаємодія протиста з іншим вірусом. Чи можемо ми стверджувати, що Mavirus – ситуативний союзник джгутиконосця в боротьбі із CroV? Чи можна казати про альтруїстичну поведінку клітини Croenbergensis, яка жертвує собою, щоб вивільнити інтегрований вірофаг і врятувати своїх братів і сестер?

На мою думку, відповідь залежатиме від особистої інтерпретації кожного. Зрештою, клітина для вірусу – це лише середовище існування. З цієї точки зору реактивація вірофагу під час суперінфекції – не акт допомоги, а лише стратегія виживання. Так само й інтеграція вірофагу – не продуманий заздалегідь хід джгутиконосця із наміром захистити свою родину від гігантського вірусу, а всього лише підсумок популяційного процесу. Та незалежно від нашого ставлення до них, малі і ще менші віруси тихо роблять свої справи, результати яких мають далекосяжні глобальні наслідки.

Протисти мають механізми імунного захисту. Імунна система протистів - це великий обсяг цінного матеріалу для вивчення. На даний момент дослідницька база не може дати достатньо інформації про будову імунної системи протистів.

Зазначені досліджені випадки, визначені у рамках навчального проєкту з біології про імунну систему протистів, є скоріш поодинокими випадками зіткнення з імунною системою протистів.

У результаті виконання дослідницької роботи (проєкту) з вивчення імунної системи протистів ми можемо впевнено сказати, що імунна система протистів не менш різноманітна і складна, аніж тваринна чи рослинна і її вивчення повинно відбуватися на наших очах.