Генетическое разнообразие помогает ограничивать инфекционные заболевания

Новое исследование учёных Эксетерского университета показывает, что генетическое разнообразие помогает снижать распространение болезней, ограничивая эволюцию паразитов.

Идея о том, что разнообразие хозяев может ограничивать вспышки заболеваний, не нова. Например, монокультуры в сельском хозяйстве, лишённые генетического разнообразия, могут страдать от серьёзных вспышек болезней, охватывающих всю популяцию. Но почему так происходит?

Исследование под руководством Эксетерского университета даёт ответ. Чтобы изучить влияние разнообразия хозяев на распространение болезни, учёные использовали вирус, способный инфицировать и убивать бактерии. Бактерии защищаются с помощью сложной иммунной системы, известной как CRISPR-Cas, которая захватывает случайные фрагменты ДНК вируса. Эта "генетическая память" защищает бактерии от будущих инфекций.

CRISPR-Cas создаёт большое разнообразие, потому что каждая бактерия захватывает разный фрагмент вирусной ДНК. Следовательно, после контакта с вирусом каждая бактерия с иммунитетом CRISPR-Cas уникальна, и разнообразие в популяции высоко. Это оказалось идеальным для проверки, ограничивает ли разнообразие хозяев распространение болезни и почему.

В экспериментах исследователи изолировали отдельные бактерии и выращивали их либо в монокультуре, либо смешивали вместе в разнородных популяциях. Доктор Стинеке ван Хауте отмечает: "Вирусы могли распространяться на монокультурах, но когда отдельные бактерии смешивали вместе, вирус очень быстро вымирал. Это выявило сильный эффект монокультуры в нашей экспериментальной системе".

Далее учёные исследовали, почему вирусы могли так легко сохраняться на монокультурах по сравнению с разнородными популяциями бактерий-хозяев. Они обнаружили, что это связано с быстрой эволюцией вируса, который эволюционировал, чтобы преодолеть иммунитет CRISPR-Cas монокультур бактерий-хозяев. Однако на смешанных бактериальных популяциях, которые имеют гораздо большее генетическое разнообразие в системе CRISPR-Cas, вирус не смог эволюционировать и поэтому вымер. Способность вирусов эволюционировать в сторону высокой инфекционности напрямую зависела от уровня генетического разнообразия хозяина. Таким образом, смешивание монокультур может повысить уровень иммунитета популяции в целом — особенность, известную как коллективный иммунитет.

Концептуальные выводы этого фундаментального исследования бактерий и их вирусов, вероятно, носят общий характер, и заключения могут найти применение в будущем, например, в сельском хозяйстве и биологии сохранения.

Статья "The diversity-generating benefits of a prokaryotic adaptive immune system" опубликована в журнале Nature.