yllä: 75 mm pitkä Melanocetus johnsonii-naaras, jonka mahaan on kiinnittynyt 23,5 mm pitkä uros
EDITH A. WIDDER
Krøyerin syvänmeren merikrotti Ceratias holboelli, ei kute, parittele eikä tee mitään, mitä kala tavallisesti tekisi paritellakseen. Sen sijaan koiras—vain muutaman sentin pituinen—tarttuu verrattain jättiläismäisen naaraan ruumiiseen eikä päästä koskaan irti. Hitaasti hänen ruumiinsa muuttuu hänen soluikseen, mukaan lukien hänen kiveksensä, joita käytetään jälkeläisten tuottamiseen. Kun hän katoaa, kaksi yksilöä tulee yhdeksi-vieden yksiavioisuuden käsitteen uudelle tasolle.
syvänmeren merikrottien alaheimo, johon kuuluu lähes 170 tunnettua lajia, näyttää kiistatta eläinkunnan dramaattisimmat parittelutavat. Joillakin lajeilla koiraat kiinnittyvät naaraisiin vain väliaikaisesti ja sitten eroavat. Toisissa, kuten C. holboellissa, urokset ”sulautuvat” pysyvästi naaraisiin, tai naaraat imevät itseensä useita uroksia—joissakin tapauksissa jopa kahdeksan kerrallaan.
näihin syvänmeren kohtaamispaikkoihin-ne ikuistettiin kameraan vasta vuonna 2018—liittyy immunologinen arvoitus. Lähes kaikissa muissa aikuisten selkärankaisten, käyttöön kudoksen yksilöstä toiseen aiheuttaisi voimakas immuunivaste hyökkää vieraita soluja. Miksei merikrottinaaras immunologisesti hylkää näitä loisuroksia?
Science-lehdessä tänään (30.heinäkuuta) julkaistu uusi 13 merikrottilajin genomianalyysi antaa joitakin vihjeitä. Lajien genomit, jotka väliaikaisesti tai pysyvästi sulautuvat puolisoonsa, ovat läpikäyneet radikaaleja muutoksia keskeisissä geeneissä, jotka tukevat adaptiivista immuniteettia—immuunijärjestelmän haara, joka on vastuussa vieraan kudoksen hylkäämisestä—tehden joistakin niistä ensimmäisiä tunnettuja selkärankaisia, joilta tehokkaasti puuttuu Adaptiivinen immuunijärjestelmä. Evoluution kuluessa muutokset vasta-ainetuotantoon osallistuvissa geeneissä ja sytotoksisissa t-soluvasteissa ovat saattaneet tasoittaa tietä eläinten oudoille lisääntymistavoille, kun taas tutkijoille se herättää kysymyksiä siitä, miten kalat puolustautuvat syvänmeren taudinaiheuttajia vastaan.
”se on aivan järkyttävää”, huomauttaa Cambridgen yliopiston geneetikko Elizabeth Murchison, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”Luulenpa, että meillä ei pitäisi olla liikaa ennakkokäsityksiä siitä, mikä on ja ei ole mahdollista luonnossa. Evoluutio tuottaa kaikenlaisia hulluja tuloksia, ja tämä on yksi niistä.”
immunologi Thomas Boehm ja hänen kollegansa Max Planck Institute of Immunology and Epigenetics-instituutissa Saksassa halusivat pitkään tietää, miten jotkut merikrottilajit voivat muodostaa ruumiillisia fuusioita yksilöiden välillä, ja lähtivät tekemään analyysiä eläinten genomeista. Biologisia näytteitä syvänmerestä on vaikea saada, mutta Washingtonin yliopiston syvänmerenkalastuksen asiantuntijan, ichtyologi Theodore Pietschin avulla ryhmä sai kudosnäytteitä useista näytekokoelmista.
Boehm kollegoineen sekvensoi DNA: n 31 näytteestä, jotka edustivat 13 syvänmerenkerjälajia. Siihen kuului neljä lajia, jotka parittelevat tilapäisen kiintymyksen avulla, ja kuusi lajia, jotka muodostavat pysyviä fuusioita—kolme niistä yhdestä yhteen-ja kolme lajia, joissa useat koiraat sulautuvat yhteen ainoaan naaraaseen. Ryhmään kuului myös kolme verrokkilajia muista merikrottiryhmistä, joissa koiraat eivät koskaan kiinnitty naaraisiin.
ryhmä tutki kourallisen hyvin luonnehdittuja geenejä, joiden tiedetään olevan avainasemassa adaptiivisessa immuunivasteessa. Ensin he tarkastelivat geenejä, jotka koodaavat kalojen tärkeimpiä histocompatibility complex (MHC) – luokan i ja II proteiineja, solujen pintamolekyylejä, jotka eroavat yksilöiden välillä ja joiden avulla T-solut pystyvät erottamaan elimistön omat solut vieraista. MHC-luokan I reseptorit ajavat sytotoksiset T-solut hyökkäämään vieraita soluja vastaan kudossiirtoasetuksissa.
mielenkiintoista on, että kaikki kuusi pysyvästi kiinnittynyttä lajia osoittivat epätavallisia, merkittäviä muutoksia MHC-geeneissään, jotka olivat vielä vakavampia niillä kolmella lajilla, joissa useat urokset sulautuvat jokaiseen naaraaseen. Tutkijat löysivät muutoksia myös MHC-luokan I proteiinien kanssa vuorovaikutuksessa olevien sytotoksisten T-solujen reseptoreita koodaavissa geeneissä. Esimerkiksi kaikilta kuudelta pysyvältä kiinnittäjältä puuttui kokonaan kaksi tällaista reseptoria koodaavaa geeniä, mikä viittaa siihen, että T-solujen sytotoksisen reaktiivisuuden purkaminen voisi olla tarpeen, jotta eri merikrottiyksilöt voisivat paritella.
koska vieraaseen kudokseen kohdistuvien vasta-aineiden tiedetään myös aiheuttavan komplikaatioita potilaille kudossiirtojen aikana, ryhmä tutki myös tiettyjä geenejä, jotka tukevat vasta-aineiden muodostusta. Vaikka monet näistä geeneistä näyttivät olevan koskemattomia useimmilla merikrottilajeilla, he havaitsivat, että aicda, jolla on tärkeä rooli spesifisten vasta-aineiden luomisessa, puuttui tehokkaasti kaikista 10 lajista, jotka muodostavat tilapäisiä tai pysyviä kiinnittymiä, kun taas se oli koskematon kolmessa kontrollilajissa. Tietyt rag-geenit, jotka myös osallistuvat vasta-ainemuodostukseen, olivat kasanneet haitallisia mutaatioita lajeissa, jotka parittelevat urosryhminä, kun taas nämä geenit olivat suhteellisen ehjiä lajeilla, jotka pariutuvat yksi yhteen-tavalla, kuten C. holboelli.
kaiken kaikkiaan mitä äärimmäisempi kiintymys puolisoiden välillä oli, sitä rajummilta muutokset adaptiivisiin immuniteettigeeneihin näyttivät, tiimi toteaa. Vaikka tilapäinen kiinnittyminen näytti vaativan vain alentunutta vasta-ainevastetta, pysyvillä yksi yhteen-fuusioitumisilla näytti olevan yhteys myös sytotoksisten T-solujen toiminnan supistumiseen. Useiden puolisoiden kohdalla tätä leimasivat vielä suuremmat muutokset, kuten vasta-ainevasteiden hämärtyminen ja rag-geenien katoaminen.
University College Londonin immunologille ja virologille Ariberto Fassatille, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, tulokset ovat hämmästyttäviä. Monet tutkijat olettavat, että kun immuunijärjestelmä on perustettu, se kehittyisi vain yhteen suuntaan, ”kohti mukautuvampaa ja tarkempaa”, fassati sanoo. ”Mutta tämä näyttää siltä, että voit todella menettää adaptiivisen immuunijärjestelmän kädet . . . jos evoluution paineet ovat perusteltuja.”Hänen tietonsa mukaan syvänmeren merikrottilajit ovat ensimmäisiä tapauksia, joissa selkärankaiset ovat menettäneet niin valtavan haaran sopeutuvasta immuniteetistaan.
monilla muilla selkärankaisilla adaptiivisen immuunijärjestelmän osien poistamisella on katastrofaaliset seuraukset. Vauvat, joilla on esimerkiksi rag-geenin mutaatioita, ovat vakavasti sairaita tai kuolevat nopeasti, jos he eivät saa hoitoa luuytimensiirrolla, Boehm toteaa.
yksi syy siihen, miksi adaptiivista immuunijärjestelmää pidetään niin ratkaisevana, on se, että monet taudinaiheuttajat ja loiset ovat oppineet päihittämään vähemmän spesifisen, etulinjan synnynnäisen immuunipuolustuksen, Fassati sanoo. Esimerkiksi monet virukset, mukaan lukien meneillään olevan COVID-19-pandemian syyllinen SARS-CoV-2, voivat pysäyttää elimistön tulehdusta ajavien interferonien tuotannon, jotka ovat osa synnynnäistä immuunipuolustusta, hän lisää. Se seikka, että jotkin merikrotit tulevat ilmeisesti hyvin toimeen ilman täysin ehjää mukautuvaa immuunijärjestelmää, on ” varsin huomattava.”
tämä löytö herättää kysymyksen siitä, miten ne onnistuvat puolustautumaan syvänmeren taudinaiheuttajilta. Boehm arvelee, että joko kalojen on täytynyt kehittää jokin muu immuunijärjestelmä kokonaan, tai ehkä ne ovat keksineet tapoja lisätä synnynnäistä immuunikoneistoaan kompensoidakseen adaptiivisen immuunivasteen puutetta. Ehkä he voisivat saavuttaa tämän ilmaisemalla interferoneja jatkuvasti, hän arvelee, asettamalla kehonsa jatkuvaan hälytystilaan ja vaikeuttamalla virusten ja muiden taudinaiheuttajien tartuntojen syntymistä. Todistaakseen sen hän tarvitsisi tuoretta kudosta, jossa voisi tutkia geenien ilmentymistä.
”odotan epätoivoisesti saavani eläimiä, joista voisin poimia RNA: ta ja etsiä näiden ilmentymistasoja . . . interferoniin liittyvät geenit”, hän sanoo. Sen selvittäminen, miten jotkut merikrotit selviävät adaptiivisen immuniteetin menettämisen jälkeen, voisi olla hyödyllistä immuunipuutospotilaiden hoitojen löytämisessä, hän lisää.
hänelle tulokset aiheuttavat myös kana-muna-dilemman: kumpi tuli ensin, adaptiivisen immuniteetin taustalla olevan geneettisen arkkitehtuurin muutokset vai fuusiopariutumisstrategia? Yksi hänen tutkimistaan lajeista voi antaa vihjeen. Gigantaktis vanhoeffenin arvellaan parittelevan tilapäisen kiintymyksen kautta, mutta siinä esiintyy joitakin samoja muutoksia immuunigeeneihin kuin pysyvästi kiinnittyvissä lajeissa. Boehm sanoo uskovansa, että G. vanhoeffeni voisi mahdollisesti olla ”matkalla pysyvään kiintymykseen” evolutionaarisesti. ”Näyttää siltä, että joitakin muutoksia immuuni genomin täytyy tapahtua, ennen kuin tämä pysyvä fuusio voi todella alkaa. Näyttää siltä, että on olemassa vielä tuntematon evoluutiopaine, joka aiheuttaa näiden geenien häviämisen tai häviämisen.”
Gil Rosenthal, evoluutiobiologi Texas a&M-yliopistossa, sanoo ihmettelevänsä, mitä nuo evoluutiopaineet voisivat olla. Syvänmeren merikrotit ovat äärimmäisen seksuaalisesti dimorfisia, hän toteaa tutkijalle lähettämässään sähköpostissa. ”Naaraat ovat painajaismaisia valoa kantavia kulmahirviöitä, ja koiraat ovat pieniä otuksia, joilla on valtava kives ja valtava nenä.”Naaraat ovat luultavasti harvassa syvässä meressä, joten on todennäköistä, että urokset käyttävät paljon aikaa niiden etsimiseen, hän selittää. Kun uros lopulta löytää naaraan, sen kannattaa pysyä lähellä. Jos käy niin, että naaraalla on keskenään ristiriitaisia intressejä—kuten urosten syöminen—se voisi asettaa kalan ”sukupuoliristiriitaan.”Se tilanne voisi jotenkin johtaa genomiseen köydenvetoon immuunijärjestelmästä, Rosenthal arvelee. ”En yllättyisi, jos osa immuuniperimän haaksirikosta syntyisi sukupuoliristiriidoista.”
se ei olisi ensimmäinen esimerkki seksuaalisen käyttäytymisen ja immuunijärjestelmän toiminnan välisestä vaihtokaupasta, hän lisää ja toteaa, että selkärankaisilla testosteroni voi heikentää immuunijärjestelmän toimintaa ja parantaa miesten seksuaalisia näyttöjä. Kuitenkin ” se, että niin suuri osa siitä suljetaan tai uudistetaan, on aivan hurjaa!”
Rosenthalille ja Murchisonille tulokset alleviivaavat sitä, miten genomiikan vallankumous on antanut tutkijoille mahdollisuuden uskaltautua hyvin ymmärrettyjen malliorganismien ulkopuolelle laboratorioissa ja tutkia elämän eri adaptaatioita maapallolla. ”On niin paljon opittavaa paitsi immuniteetista, myös kaikesta biologiasta tutkimalla evolutionaarisesti poikkeavia linjoja”, Murchison sanoo. ”Koskaan ei tiedä, mitä löytää, koska luonto on niin laaja ja monipuolinen ja siellä on niin paljon sopeutumista hyvin erikoistuneisiin lajityyppeihin.
J. B. Swann, et al. ”The immunogenetics of sexual parasitism”, Science, Doi: 10.1126 / science.aaz9445, 2020.