OBEN: Ein 75 mm langes Melanocetus johnsonii-Weibchen mit einem 23,5 mm langen Männchen am Bauch
EDITH A. WIDDER
Krøyers Tiefsee-Seeteufel, Ceratias holboelli,laicht nicht, kopuliert nicht oder tut nichts, was ein Fisch normalerweise tun würde, um sich zu paaren. Stattdessen klammert sich das Männchen – nur wenige Zentimeter lang – an den Körper des vergleichsweise gigantischen Weibchens und lässt nie los. Langsam verwandelt sich sein Körper in ihren, seine Zellen werden zu ihren, einschließlich seiner Hoden, die verwendet werden, um Nachkommen zu machen. Als er verschwindet, werden zwei Individuen eins – was das Konzept der Monogamie auf eine neue Ebene hebt.Die Unterordnung der Tiefsee-Seeteufel, bestehend aus fast 170 bekannten Arten, zeigt wohl die dramatischsten Paarungsgewohnheiten im Tierreich. Bei einigen Arten binden sich Männchen nur vorübergehend an Weibchen und trennen sich dann. In anderen, wie C. holboelli, „verschmelzen“ Männchen dauerhaft mit Weibchen, oder Weibchen absorbieren mehrere Männchen — in einigen Fällen bis zu acht gleichzeitig.
Unter den vielen Rätseln, die diese Tiefsee-Rendezvous umgeben — sie wurden erst 2018 zum ersten Mal mit der Kamera aufgenommen — ist ein immunologisches. Bei praktisch allen anderen erwachsenen Wirbeltieren würde das Einbringen von Gewebe von einem Individuum in ein anderes eine starke Immunantwort hervorrufen, die die fremden Zellen angreift. Warum lehnen die weiblichen Seeteufel diese parasitären Männchen immunologisch nicht ab?Eine neue genomische Analyse von 13 Seeteufelarten, die heute (30. Juli) in Science veröffentlicht wurde, liefert einige Hinweise. Die Genome von Arten, die vorübergehend oder dauerhaft mit ihren Partnern verschmelzen, haben radikale Veränderungen der Schlüsselgene erfahren, die die adaptive Immunität unterstützen — ein Zweig des Immunsystems, der für die Abstoßung von Fremdgewebe verantwortlich ist —, was einige von ihnen zu den ersten bekannten Fällen von Wirbeltieren macht, denen effektiv ein adaptives Immunsystem fehlt. Im Laufe der Evolution haben Veränderungen in Genen, die an der Antikörperproduktion und zytotoxischen T-Zell-Reaktionen beteiligt sind, möglicherweise den Weg für die seltsamen Fortpflanzungsgewohnheiten der Tiere geebnet, während sie für Wissenschaftler Fragen aufwerfen, wie sich die Fische in der Tiefsee gegen Krankheitserreger verteidigen.“Es ist ziemlich schockierend“, bemerkt die Genetikerin Elizabeth Murchison von der Universität Cambridge, die nicht an der Studie beteiligt war. „Ich nehme an, wir sollten nicht zu viele Vorurteile darüber haben, was in der Natur möglich ist und was nicht. Evolution produziert alle möglichen verrückten Ergebnisse, und dies ist einer von ihnen.“Der Immunologe Thomas Böhm und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Immunologie und Epigenetik in Deutschland wollten schon lange wissen, wie einige Seeteufelarten körperliche Fusionen zwischen Individuen bilden können, und machten sich daran, das Genom der Tiere zu analysieren. Biologische Proben aus der Tiefsee sind schwer zu bekommen, aber mit Hilfe des Ichthyologen Theodore Pietsch, einem Experten für Tiefseeanglerfische an der University of Washington, konnte das Team Gewebeproben aus mehreren Probensammlungen gewinnen.
Boehm und seine Kollegen sequenzierten die DNA von 31 Exemplaren, die 13 Arten von Tiefsee-Seeteufel repräsentieren. Dazu gehörten vier Arten, die sich durch vorübergehende Bindung paaren, und sechs Arten, die dauerhafte Fusionen bilden — drei davon eins zu eins, und drei, bei denen mehrere Männchen mit einem einzigen Weibchen verschmelzen. Das Team umfasste auch drei Kontrollarten aus anderen Seeteufelgruppen, bei denen sich Männchen niemals an Weibchen binden.
Das Team untersuchte eine Handvoll gut charakterisierter Gene, von denen bekannt ist, dass sie eine Schlüsselrolle bei der adaptiven Immunantwort spielen. Zunächst untersuchten sie Gene, die für die Proteine des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) der Klasse I und II der Fische kodieren, Zelloberflächenmoleküle, die sich zwischen Individuen unterscheiden und es T-Zellen ermöglichen, körpereigene Zellen von fremden zu unterscheiden. Es sind die MHC-Klasse-I-Rezeptoren, die zytotoxische T-Zellen dazu bringen, fremde Zellen in Gewebetransplantationsumgebungen anzugreifen.Interessanterweise zeigten die sechs permanent anhaftenden Arten alle ungewöhnliche, signifikante Veränderungen ihrer MHC-Gene, die bei den drei Arten, bei denen mehrere Männchen mit jedem Weibchen verschmelzen, noch schwerwiegender waren. Die Forscher fanden auch Veränderungen in den Genen, die für Rezeptoren der zytotoxischen T-Zellen kodieren, die mit den MHC-Klasse-I-Proteinen interagieren. In allen sechs permanenten Attachernzum Beispiel fehlten zwei Gene, die für solche Rezeptoren kodieren, was darauf hindeutet, dass der Abbau der zytotoxischen Reaktivität von T-Zellen notwendig sein könnte, damit sich verschiedene Seeteufel-Individuen paaren können.
Da Antikörper, die gegen fremdes Gewebe gerichtet sind, auch dafür bekannt sind, dass sie bei Patienten während Gewebetransplantationen Komplikationen verursachen, untersuchte das Team auch bestimmte Gene, die die Antikörperbildung unterstützen. Obwohl viele dieser Gene bei den meisten Seeteufelarten intakt zu sein schienen, fanden sie heraus, dass Aicda, das eine wichtige Rolle bei der Bildung spezifischer Antikörper spielt, bei allen 10 Arten, die vorübergehende oder dauerhafte Bindungen bilden, effektiv fehlte, während es bei den drei Kontrollarten intakt war. Bestimmte Rag-Gene, die auch an der Antikörperbildung beteiligt sind, hatten schädliche Mutationen bei Arten angehäuft, die sich als Gruppen von Männern paaren, während diese Gene bei Arten, die sich eins zu eins paaren, wie C. holboelli, relativ intakt waren.Je extremer die Bindung zwischen den Partnern ist, desto extremer scheinen die Veränderungen der adaptiven Immunitätsgene zu sein, stellt das Team fest. Während die vorübergehende Anheftung nur reduzierte Antikörperreaktionen zu erfordern schien, schienen permanente Eins-zu-Eins-Fusionen auch mit der Einschränkung der zytotoxischen T-Zell-Funktion verbunden zu sein. Im Falle mehrerer Partner war dies durch noch mehr Veränderungen gekennzeichnet, wie die Abstumpfung der Antikörperantworten und den Verlust von Rag-Genen.Für den Immunologen und Virologen Ariberto Fassati vom University College London, der nicht an der Studie beteiligt war, sind die Ergebnisse erstaunlich. Viele Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich das Immunsystem nach seiner Etablierung nur in eine Richtung entwickeln würde, „um anpassungsfähiger und spezifischer zu werden“, sagt Fassati. „Aber das sieht so aus, als könnte man tatsächlich die Kontrolle über das adaptive Immunsystem verlieren . . . wenn der evolutionäre Druck gerechtfertigt ist.“ Nach seinem Wissen sind die Tiefsee-Seeteufelarten die ersten Fälle von Wirbeltieren, die einen so großen Teil ihrer adaptiven Immunität verloren haben.
Bei vielen anderen Wirbeltieren hat die Entfernung von Teilen des adaptiven Immunsystems katastrophale Folgen. Babys, die mit Mutationen im Rag-Gen geboren wurden, sind zum Beispiel schwer krank oder sterben schnell, wenn sie keine Behandlung durch eine Knochenmarktransplantation erhalten, bemerkt Boehm.Ein Grund, warum das adaptive Immunsystem als so entscheidend angesehen wird, ist, dass viele Krankheitserreger und Parasiten gelernt haben, die weniger spezifische angeborene Immunabwehr an vorderster Front zu überlisten, sagt Fassati. Zum Beispiel können viele Viren, einschließlich des Schuldigen der anhaltenden COVID-19-Pandemie, SARS-CoV-2, die körpereigene Produktion von entzündungsfördernden Interferonen eindämmen, die Teil der angeborenen Immunabwehr sind, fügt er hinzu. Die Tatsache, dass einige Seeteufel anscheinend gut ohne ein vollständig intaktes adaptives Immunsystem auskommen, ist „ziemlich bemerkenswert.“
Diese Entdeckung wirft die Frage auf, wie sie es schaffen, sich in der Tiefsee gegen Krankheitserreger zu verteidigen. Boehm spekuliert, dass entweder die Fische ein anderes Immunsystem vollständig entwickelt haben müssen, oder vielleicht haben sie Wege gefunden, ihre angeborene Immunmaschinerie hochzufahren, um das Fehlen einer adaptiven Immunantwort auszugleichen. Vielleicht könnten sie dies erreichen, indem sie kontinuierlich Interferone exprimieren, spekuliert er, ihren Körper in ständige Alarmbereitschaft versetzen und es Viren und anderen Krankheitserregern erschweren, Infektionen zu etablieren. Um das zu beweisen, brauchte er frisches Gewebe, in dem er die Genexpression untersuchen konnte.
„Ich freue mich verzweifelt darauf, Tiere zu erhalten, bei denen ich RNA extrahieren und nach Expressionsniveaus dieser suchen kann . . . Interferon-verwandte Gene „, sagt er. Herauszufinden, wie einige Seeteufel nach dem Verlust der adaptiven Immunität zurechtkommen, könnte nützlich sein, um Behandlungen für immundefiziente Patienten zu finden, fügt er hinzu.Für ihn stellen die Ergebnisse auch ein Huhn-oder-Ei-Dilemma dar: Was kam zuerst, die Modifikationen an der genetischen Architektur, die der adaptiven Immunität zugrunde liegt, oder die Fusions-Paarungsstrategie? Eine der von ihm untersuchten Arten kann einen Hinweis geben. Es wird angenommen, dass Gigantactis vanhoeffeni sich durch vorübergehende Bindung paart, dennoch zeigt es einige der gleichen Veränderungen an Immungenen wie dauerhaft anhaftende Arten. Boehm sagt, er denke, dass G. vanhoeffeni möglicherweise evolutionär „auf dem Weg zur dauerhaften Bindung“ sein könnte. „Es scheint, dass einige Veränderungen am Immungenom stattfinden müssen, bevor diese permanente Fusion wirklich einsetzen kann. Es scheint, dass es einen noch unbekannten evolutionären Druck gibt, der dazu führt, dass diese Gene aussterben oder nicht mehr existieren.“
Gil Rosenthal, ein Evolutionsbiologe an der Texas A&M University, sagt, er frage sich, was dieser evolutionäre Druck sein könnte. Tiefsee-Seeteufel sind extrem sexuell dimorph, stellt er in einer E-Mail an den Wissenschaftler fest. „Frauen sind diese alptraumhaften, lichttragenden Monster mit Reißzähnen, und Männer sind winzige kleine Dinge mit einem riesigen Hoden und einer riesigen Nase.“ Die Weibchen sind wahrscheinlich spärlich in der Tiefsee, daher verbringen die Männchen wahrscheinlich viel Zeit damit, nach ihnen zu suchen“, erklärt er. Wenn ein Mann endlich eine Frau findet, Es wäre in seinem Interesse, nahe zu bleiben. Wenn es passiert, dass das Weibchen widersprüchliche Interessen hat — wie das Essen der Männchen —, könnte es den Fisch für „sexuelle Konflikte“ einrichten.“ Diese Situation könnte irgendwie zu einem genomischen Tauziehen um das Immunsystem führen“, spekuliert Rosenthal. „Ich wäre nicht überrascht, wenn einige der Trümmer des Immungenoms aus sexuellen Konflikten stammen.“Es wäre nicht das erste Beispiel für einen Kompromiss zwischen sexuellem Verhalten und der Funktion des Immunsystems, fügt er hinzu und stellt fest, dass Testosteron bei Wirbeltieren die Funktion des Immunsystems beeinträchtigen und die männliche sexuelle Funktion verbessern kann. Jedoch, „Dass so viel davon heruntergefahren oder umgebaut wird, ist einfach wild!“Für Rosenthal und Murchison unterstreichen die Ergebnisse, wie die Genomik-Revolution es Forschern ermöglicht hat, über gut verstandene Modellorganismen in Labors hinauszugehen und die verschiedenen Anpassungen des Lebens auf der Erde zu erforschen. „Es gibt so viel zu lernen, nicht nur über die Immunität, sondern über die gesamte Biologie, indem evolutionär divergierende Linien erforscht werden“, sagt Murchison. „Und du weißt nie wirklich, was du finden wirst, weil die Natur so breit und vielfältig ist und es so viel Anpassung an sehr spezialisierte Nischen gibt.“
J.B. Swann, et al. „Die Immunogenetik des sexuellen Parasitismus“, Wissenschaft, doi: 10.1126 / Wissenschaft.aaz9445, 2020.