hierboven: een 75 mm lange Melanocetus johnsonii vrouwtje met een 23,5 mm lange man aan haar buik EDITH A. WIDDER
Krøyer ‘ s diepzeeduivel, Ceratias holboelli, paart, copuleert of doet niets wat een vis normaal zou doen om te paren. In plaats daarvan sluit het mannetje—slechts een paar centimeter lang—zich aan op het lichaam van het relatief gigantische vrouwtje en laat het nooit los. Langzaam verandert zijn lichaam in het hare, zijn cellen worden het hare, inclusief zijn testikels, die worden gebruikt om nakomelingen te maken. Terwijl hij verdwijnt, worden twee individuen één—het concept van monogamie naar een nieuw niveau tillen.
de suborde van diepzeeduivel, bestaande uit bijna 170 bekende soorten, vertoont de meest dramatische paringsgewoonten in het dierenrijk. Bij sommige soorten hechten mannetjes zich slechts tijdelijk aan vrouwtjes en gaan dan uit elkaar. In andere gevallen, zoals C. holboelli, “fuseren” mannetjes permanent met vrouwtjes, of vrouwtjes absorberen meerdere mannetjes—in sommige gevallen tot acht tegelijk.
een van de vele mysteries rond deze diepzee rendezvous-ze werden pas voor het eerst op camera vastgelegd in 2018—is een immunologische. In vrijwel alle andere volwassen gewervelde dieren zou het introduceren van weefsel van het ene individu in het andere een krachtige immuunreactie veroorzaken die de vreemde cellen aanvalt. Waarom verwerpen de vrouwelijke zeeduivel, immunologisch gesproken, deze parasitaire mannetjes niet?
een nieuwe genomische analyse van 13 soorten zeeduivel die vandaag (30 juli) in Science is gepubliceerd, geeft enkele aanwijzingen. De genomen van species die tijdelijk of permanent met hun partners samensmelten radicale veranderingen van zeer belangrijke genen hebben ondergaan die adaptieve immuniteit—een tak van het immuunsysteem verantwoordelijk voor de verwerping van vreemd weefsel—makend sommigen van hen de eerste bekende instanties van gewervelde dieren die effectief een adaptief immuunsysteem missen. In de loop van de evolutie kunnen veranderingen in genen die betrokken zijn bij de productie van antilichamen en cytotoxische T-celreacties de weg hebben geëffend voor de vreemde voortplantingsgewoonten van de dieren, terwijl het voor wetenschappers vragen oproept over hoe de vissen zich in de diepzee verdedigen tegen ziekteverwekkers.”It’ s quite shocking, ” merkt geneticus Elizabeth Murchison van de Universiteit van Cambridge op, die niet betrokken was bij de studie. “Ik veronderstel dat we niet te veel vooroordelen moeten hebben over wat wel en niet mogelijk is in de natuur. Evolutie veroorzaakt allerlei gekke uitkomsten, en dit is er een van.”
immunoloog Thomas Boehm en zijn collega’ s aan het Max Planck Institute of Immunology and Epigenetics in Germany wilden lang weten hoe sommige zeeduivelsoorten lichamelijke fusies tussen individuen kunnen vormen, en gingen op zoek naar een analyse van het genomen van de dieren. Biologische monsters uit de diepzee zijn moeilijk te verkrijgen, maar met de hulp van Ichthyoloog Theodore Pietsch, een expert op het gebied van diepzeeduivels aan de Universiteit van Washington, kon het team weefselmonsters uit verschillende monstercollecties verkrijgen.
Boehm en zijn collega ‘ s sequentieerden het DNA van 31 exemplaren, die 13 soorten diepzeeduivel vertegenwoordigden. Dat omvatte vier soorten die paren door tijdelijke gehechtheid en zes soorten die permanente fusies vormen-drie van hen op een een-op-een manier, en drie die meerdere mannetjes hebben fuseren met een enkele vrouw. Het team omvatte ook drie soorten van andere zeeduivelgroepen waarbij mannetjes zich nooit aan vrouwtjes hechten.
het team onderzocht een handvol goed gekarakteriseerde genen waarvan bekend is dat ze belangrijke spelers zijn in de adaptieve immuunrespons. Eerst keken ze naar genen die de major histocompatibility complex (MHC) klasse I en II proteã nen van de vissen coderen, molecules van het celoppervlak die tussen individuen verschillen en T-cellen in staat stellen om de eigen cellen van het lichaam te onderscheiden van vreemde. Het zijn de MHC klasse I receptoren die cytotoxische T cellen aandrijven om vreemde cellen aan te vallen in weefseltransplantatie instellingen.interessant is dat de zes permanent aansluitende soorten allemaal ongebruikelijke, significante veranderingen aan hun MHC-genen vertoonden, die nog ernstiger waren bij de drie soorten waarbij meerdere mannetjes met elk vrouwtje fuseren. De onderzoekers vonden ook veranderingen in de genen die receptoren van de cytotoxische T cellen coderen die met de MHC klasse I proteã nen in wisselwerking staan. In alle zes permanente attachers, bijvoorbeeld, ontbraken twee genen die dergelijke receptoren coderen, wat suggereert dat het ontmantelen van de cytotoxische reactiviteit van T-cellen nodig zou kunnen zijn om verschillende zeeduivel individuen toe te staan om te paren.
omdat van antilichamen die gericht zijn tegen vreemd weefsel ook bekend is dat ze complicaties veroorzaken bij patiënten tijdens weefseltransplantaties, heeft het team ook gekeken naar bepaalde genen die de vorming van antilichamen ondersteunen. Hoewel veel van deze genen intact leken te zijn bij de meeste soorten zeeduivel, vonden ze dat aicda, die een belangrijke rol speelt bij het creëren van specifieke antilichamen, effectief afwezig was bij alle 10 soorten die tijdelijke of permanente gehechtheden vormen, terwijl het intact was bij de drie soorten controle. Bepaalde rag-genen, die ook betrokken zijn bij de vorming van antilichamen, hadden schadelijke mutaties verzameld in soorten die paren als groepen van mannetjes, terwijl die genen relatief intact waren in soorten die op een één-op-één manier paren, zoals C. holboelli.
in het algemeen, hoe meer extreme hechting tussen partners, hoe extremer de veranderingen in adaptieve immuniteitsgenen bleken te zijn, merkt het team op. Hoewel tijdelijke gehechtheid slechts verminderde antilichaamresponsen leek te vereisen, leken permanente één-op-één fusies ook in verband te worden gebracht met het verminderen van de cytotoxische T-celfunctie. In het geval van veelvoudige paren, werd dit gekenmerkt door nog meer veranderingen, zoals het afblikken van antilichaamreacties, en het verlies van raggenen.voor de immunoloog en viroloog Ariberto Fassati van het University College London, die niet betrokken was bij de studie, zijn de resultaten verbazingwekkend. Veel wetenschappers gaan ervan uit dat het immuunsysteem, eenmaal gevestigd, slechts in één richting zou evolueren, “naar meer adaptieve en specifiekere te worden,” zegt Fassati. “Maar dit lijkt erop dat je daadwerkelijk armen van het adaptieve immuunsysteem kunt verliezen . . . als evolutionaire druk gerechtvaardigd is.”Voor zover hij weet, zijn de diepzeeduivelsoorten de eerste gevallen van gewervelde dieren die zo’ n enorme tak van hun adaptieve immuniteit hebben verloren.
bij veel andere gewervelde dieren heeft het verwijderen van delen van het adaptieve immuunsysteem catastrofale gevolgen. Baby ‘ s geboren met mutaties in het rag gen, bijvoorbeeld, zijn ernstig ziek of sterven snel als ze niet worden behandeld door middel van een beenmergtransplantatie, Boehm merkt op.
een reden waarom het adaptieve immuunsysteem zo cruciaal wordt geacht is omdat veel pathogenen en parasieten hebben geleerd de minder specifieke, frontlijn aangeboren immuunafweer te slim af te zijn, zegt Fassati. Zo kunnen veel virussen, waaronder de boosdoener van de huidige covid-19 pandemie, SARS-CoV-2, de productie van ontstekingssturende interferonen in het lichaam afremmen, die deel uitmaken van de aangeboren immuunafweer, voegt hij eraan toe. Het feit dat sommige zeeduivels blijkbaar goed met elkaar opschieten zonder een volledig intact adaptief immuunsysteem is “heel opmerkelijk.”
Deze ontdekking roept de vraag op hoe ze zich wel kunnen verdedigen tegen ziekteverwekkers in de diepzee. Boehm speculeert dat ofwel de vis moet hebben geëvolueerd een ander immuunsysteem volledig, of misschien hebben ze manieren gevonden om hun aangeboren immuun machines op te voeren om te compenseren voor het gebrek aan een adaptieve immuunrespons. Misschien kunnen ze dit bereiken door voortdurend interferonen te uiten, speculeert hij, door hun lichamen constant alert te maken en het moeilijker te maken voor virussen en andere ziekteverwekkers om infecties vast te stellen. Om dat te bewijzen, heeft hij vers weefsel nodig waar hij genexpressie kan onderzoeken.
” Ik ben wanhopig op zoek naar het verkrijgen van dieren waar ik RNA kan extraheren en op zoek naar expressieniveaus van deze . . . interferon-gerelateerde genen, ” zegt hij. Het vinden van hoe sommige zeeduivels omgaan na het verliezen van adaptieve immuniteit kan nuttig zijn bij het vinden van behandelingen voor immunodeficiënte patiënten, voegt hij toe.
voor hem vormen de resultaten ook een kip-of-ei dilemma: welke kwam het eerst, de wijzigingen aan de genetische architectuur die de adaptieve immuniteit onderbouwen of de fusieparingsstrategie? Een van de soorten die hij onderzocht kan een aanwijzing bieden. Men denkt dat Gigantactis vanhoeffeni door tijdelijke gehechtheid paren, maar toch vertoont het een aantal van dezelfde veranderingen in immuungenen als permanent aansluitende soorten. Boehm zegt dat hij denkt dat G. vanhoeffeni evolutionair “op weg is naar permanente gehechtheid”. “Het lijkt erop dat sommige veranderingen in het immune genoom moeten plaatsvinden voordat deze permanente fusie kan echt in te zetten. Het lijkt erop dat er nog onbekende evolutionaire druk van een soort die ervoor zorgt dat deze genen uitsterven of ter ziele gaan.”
Gil Rosenthal, an evolutionary biologist at Texas A&M University, zegt dat hij zich afvraagt wat die evolutionaire druk zou kunnen zijn. Diepzeeduivels zijn extreem seksueel dimorf, schrijft hij in een e-mail aan de wetenschapper. “Vrouwtjes zijn deze nachtmerrie-achtige lichtdragende stinkende monsters, en mannetjes zijn kleine dingetjes met een enorme testis en een enorme neus.”De vrouwtjes zijn waarschijnlijk schaars in de diepzee, dus het is waarschijnlijk dat de mannetjes veel tijd besteden aan het zoeken naar hen, legt hij uit. Als een mannetje eindelijk een vrouwtje vindt, is het in zijn belang om dichtbij te blijven. Als het gebeurt dat het vrouwtje tegenstrijdige belangen heeft—zoals het eten van de mannetjes—kan het de vis opzetten voor “seksueel conflict.”Die situatie kan op de een of andere manier leiden tot een genomische touwtrekken over het immuunsysteem, Rosenthal speculeert. “Het zou me niet verbazen als een deel van de wrakstukken van het immune genoom afkomstig is van seksuele conflicten.”
Het zou niet het eerste voorbeeld zijn van een trade-off tussen seksueel gedrag en de functie van het immuunsysteem, voegt hij eraan toe, opmerkend dat bij gewervelde dieren, testosteron de functie van het immuunsysteem kan onderdrukken en mannelijke seksuele displays kan verbeteren. Echter, ” dat zo veel van het is afgesloten of verbouwd in is gewoon wild!”
aan Rosenthal en Murchison onderstrepen de resultaten hoe de genomicarevolutie onderzoekers in staat heeft gesteld om verder te gaan dan goed begrepen modelorganismen in laboratoria en de verschillende aanpassingen van het leven op aarde te verkennen. “Er is zo veel te leren over niet alleen immuniteit, maar de hele biologie, door het verkennen van evolutionair uiteenlopende geslachten,” Murchison zegt. “En je weet nooit echt wat je gaat vinden, want de natuur is zo breed en divers en er is zoveel aanpassing aan zeer gespecialiseerde niches.”
J. B. Swann, et al. “The immunogenetics of sexual parasitism,” Science, doi: 10.1126 / science.aaz9445, 2020.