powyżej: samica Melanocetus johnsonii o długości 75 mm i samiec o długości 23,5 mm przywiązany do brzucha
EDITH A. WIDDER
Żabnica głębokowodna Krøyera, Ceratias holboelli, nie rozmnaża się, nie kopuluje ani nie robi niczego, co ryby normalnie zrobiłyby, aby się rozmnażać. Zamiast tego samiec—zaledwie kilka cali długości-zaciska się na stosunkowo gigantycznym ciele samicy i nigdy nie odpuszcza. Powoli jego ciało zmienia się w jej, a jego komórki stają się jej, w tym jądra, które są używane do robienia potomstwa. Gdy znika, dwie osoby stają się jednością-przenosząc koncepcję monogamii na nowy poziom.
Podrząd żabnicy głębinowej, składający się z prawie 170 znanych gatunków, prawdopodobnie wykazuje najbardziej dramatyczne nawyki godowe w królestwie zwierząt. U niektórych gatunków samce tylko tymczasowo przyczepiają się do samic, a następnie rozdzielają się. U innych, takich jak C. holboelli, samce trwale „łączą się” z samicami, lub samice pochłaniają wiele samców—w niektórych przypadkach do ośmiu na raz.
wśród wielu tajemnic otaczających te głębinowe spotkania-zostały one uchwycone kamerą po raz pierwszy w 2018 roku—jest immunologiczna. U praktycznie wszystkich innych dorosłych kręgowców wprowadzenie tkanki od jednego osobnika do drugiego wywołałoby silną odpowiedź immunologiczną atakującą obce komórki. Dlaczego samica żabnicy, immunologicznie mówiąc, nie odrzuca tych pasożytniczych samców?
nowa analiza genomiczna 13 gatunków żabnicy opublikowana dzisiaj (30 lipca) w Science dostarcza pewnych wskazówek. Genomy gatunków, które czasowo lub na stałe łączą się ze swoimi partnerami, przeszły radykalne zmiany kluczowych genów, które leżą u podstaw odporności adaptacyjnej—gałęzi układu odpornościowego odpowiedzialnej za odrzucenie obcej tkanki—co czyni niektóre z nich pierwszymi znanymi przypadkami kręgowców, które skutecznie nie mają adaptacyjnego układu odpornościowego. W trakcie ewolucji zmiany w genach zaangażowanych w wytwarzanie przeciwciał i cytotoksyczne odpowiedzi limfocytów T mogły utorować drogę dziwnym nawykom reprodukcyjnym zwierząt, podczas gdy dla naukowców rodzi to pytanie o to, w jaki sposób ryby bronią się przed patogenami w głębinach morskich.
„to dość szokujące”, zauważa genetyk Elizabeth Murchison z Uniwersytetu Cambridge, która nie była zaangażowana w badania. „Przypuszczam, że nie powinniśmy mieć zbyt wielu uprzedzeń na temat tego, co jest, a co nie jest możliwe w naturze. Ewolucja daje różne dziwaczne rezultaty, a to jest jeden z nich.”
immunolog Thomas Boehm i jego współpracownicy z Instytutu Immunologii i epigenetyki im. Maxa Plancka w Niemczech od dawna chcieli dowiedzieć się, w jaki sposób niektóre gatunki ryb żabnicowych mogą tworzyć Fuzje ciała między osobnikami i rozpoczęli analizę genomów zwierząt. Próbki biologiczne z głębin morskich są trudne do zdobycia, ale z pomocą ichtiologa Theodore ’ a Pietscha, eksperta od ryb głębinowych z University of Washington, zespół był w stanie uzyskać próbki tkanek z kilku kolekcji próbek.
Boehm i jego koledzy zsekwencjonowali DNA z 31 okazów, reprezentujących 13 gatunków żabnicy głębinowej. Obejmuje to cztery gatunki, które łączą się przez tymczasowe przywiązanie i sześć gatunków, które tworzą trwałe Fuzje-trzy z nich w sposób jeden do jednego, i trzy, które mają wiele samców łączą się z jedną samicą. Zespół obejmował również trzy gatunki kontrolne z innych grup żabnic, u których samce nigdy nie przywiązują się do samic.
zespół zbadał kilka dobrze scharakteryzowanych genów, znanych jako kluczowi gracze w adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej. Po pierwsze, badali geny, które kodują główny kompleks zgodności histologicznej ryb (MHC) klasy i I II białka, cząsteczki powierzchni komórek, które różnią się między osobnikami i umożliwiają komórkom T odróżnienie własnych komórek ciała od obcych. To receptory MHC klasy I napędzają cytotoksyczne komórki T do atakowania obcych komórek w Warunkach przeszczepu tkanek.
Co ciekawe, wszystkie sześć trwale przyłączających się gatunków wykazało niezwykłe, znaczące zmiany w ich genach MHC, które były jeszcze bardziej dotkliwe w trzech gatunkach, w których wiele samców łączy się z każdą samicą. Naukowcy odkryli również zmiany w genach kodujących receptory cytotoksycznych komórek T, które oddziałują z białkami MHC klasy I. Na przykład we wszystkich sześciu stałych przyłącznikach całkowicie brakowało dwóch genów kodujących takie receptory, co sugeruje, że demontaż cytotoksycznej reaktywności komórek T może być konieczny, aby umożliwić różnym rybom kojarzenie się.
ponieważ wiadomo, że przeciwciała skierowane przeciwko obcym tkankom powodują powikłania u pacjentów podczas przeszczepów tkanek, zespół zbadał również pewne geny, które stanowią podstawę generowania przeciwciał. Chociaż wiele z tych genów wydawało się być nienaruszonych u większości gatunków żabnic, odkryli, że aicda, która odgrywa ważną rolę w tworzeniu swoistych przeciwciał, była skutecznie nieobecna u wszystkich 10 gatunków, które tworzą tymczasowe lub stałe załączniki, podczas gdy była nienaruszona u trzech gatunków kontrolnych. Niektóre geny rag, które są również zaangażowane w tworzenie przeciwciał, zgromadziły szkodliwe mutacje u gatunków, które łączą się w pary jako grupy samców, podczas gdy geny te były stosunkowo nienaruszone u gatunków, które łączą się w pary w sposób jeden do jednego, takich jak C. holboelli.
Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej ekstremalne przywiązanie między partnerami, tym bardziej ekstremalne okazały się zmiany w genach odporności adaptacyjnej, zauważa zespół. Podczas gdy tymczasowe przyłączenie tylko wydawało się wymagać zmniejszonej odpowiedzi przeciwciał, trwałe Fuzje jeden do jednego wydawały się być związane również z ograniczeniem funkcji cytotoksycznych limfocytów T. W przypadku wielu partnerów, było to naznaczone jeszcze większą liczbą zmian, takich jak stępienie odpowiedzi przeciwciał i utrata genów rag.
dla immunologa i wirusologa Ariberto Fassati, który nie brał udziału w badaniu, wyniki są zdumiewające. Wielu naukowców zakłada, że układ odpornościowy, po ustaleniu, będzie ewoluował tylko w jednym kierunku, „w kierunku coraz bardziej adaptacyjnego i bardziej specyficznego”, mówi Fassati. „Ale wygląda na to, że można stracić ręce adaptacyjnego układu odpornościowego . . . jeśli presja ewolucyjna jest uzasadniona.”Według jego wiedzy gatunki żabnic głębinowych są pierwszymi przypadkami, w których kręgowce straciły tak ogromną gałąź swojej odporności adaptacyjnej.
u wielu innych kręgowców usunięcie części układu odpornościowego ma katastrofalne konsekwencje. Dzieci urodzone z mutacjami w genie rag, na przykład, są poważnie chore lub umierają szybko, jeśli nie otrzymują leczenia poprzez przeszczep szpiku kostnego-zauważa Boehm.
jednym z powodów, dla których uważa się, że adaptacyjny układ odpornościowy jest tak ważny, jest to, że wiele patogenów i pasożytów nauczyło się przechytrzyć mniej specyficzną, wrodzoną obronę immunologiczną z pierwszej linii frontu, mówi Fassati. Na przykład wiele wirusów, w tym winowajca trwającej pandemii COVID-19, SARS-CoV-2, może powstrzymać wytwarzanie przez organizm interferonów wywołujących stany zapalne, które są częścią wrodzonej obrony immunologicznej, dodaje. Fakt, że niektóre żabnice najwyraźniej radzą sobie dobrze bez w pełni nienaruszonego układu odpornościowego jest „dość niezwykły.”
to odkrycie rodzi pytanie, w jaki sposób udaje im się bronić przed patogenami na głębokim morzu. Boehm spekuluje, że albo ryby musiały całkowicie wyewoluować jakiś inny układ odpornościowy, albo być może znalazły sposoby na zwiększenie wrodzonej maszynerii odpornościowej, aby zrekompensować brak adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej. Może uda im się to osiągnąć poprzez ciągłą ekspresję interferonów, spekuluje, stawiając ich ciała w ciągłej gotowości i utrudniając wirusom i innym patogenom tworzenie infekcji. Aby to udowodnić, potrzebował świeżej tkanki, gdzie mógłby zbadać ekspresję genów.
„rozpaczliwie czekam na pozyskanie zwierząt, w których mógłbym wyodrębnić RNA i poszukać poziomów ekspresji tych zwierząt . . . geny związane z interferonem ” – mówi. Dowiedzenie się, jak niektóre żabnice radzą sobie po utracie odporności adaptacyjnej, może być przydatne w znalezieniu leczenia dla pacjentów z niedoborem odporności, dodaje.
dla niego, wyniki stanowią również dylemat kury lub jaja: co było pierwsze, modyfikacje architektury genetycznej u podstaw odporności adaptacyjnej czy strategia kojarzenia fuzji? Jeden z gatunków, które badał, może dać wskazówkę. Uważa się, że Gigantactis vanhoeffeni kojarzy się poprzez tymczasowe przywiązanie, jednak wykazuje takie same zmiany w genach immunologicznych, jak gatunki trwale przyłączające się. Boehm uważa, że G. vanhoeffeni może być” w drodze do trwałego przywiązania”. „Wydaje się, że pewne zmiany w genomie immunologicznym muszą nastąpić, zanim ta trwała fuzja naprawdę się rozpocznie. Wydaje się, że istnieje jakaś jeszcze nieznana ewolucyjna presja jakiegoś rodzaju, która powoduje, że geny te wygasają lub zanikają.”
Gil Rosenthal, biolog ewolucyjny z Texas a & M University, mówi, że zastanawia się, jakie mogą być te presje ewolucyjne. Żabnica głębinowa jest wyjątkowo dymorficzna płciowo-zauważa w mailu do naukowca. „Kobiety są koszmarnymi, światłorodnymi potworami, a samce są maleńkimi istotami z ogromnym jądrem i ogromnym nosem.”Samice są prawdopodobnie rzadkie w głębokim morzu, więc prawdopodobnie samce spędzają dużo czasu na ich poszukiwaniu, wyjaśnia. Kiedy samiec w końcu znajdzie samicę, byłoby w jego interesie trzymać się blisko. Jeśli zdarzy się, że samica ma sprzeczne interesy—takie jak jedzenie samców—może to spowodować „konflikt seksualny”.”Ta sytuacja może w jakiś sposób doprowadzić do genomowego przeciągania liny na układ odpornościowy, spekuluje Rosenthal. „Nie zdziwiłbym się, gdyby część szczątków genomu immunologicznego pochodziła z konfliktu seksualnego.”
nie byłby to pierwszy przykład kompromisu między zachowaniami seksualnymi a funkcją układu odpornościowego, dodaje, zauważając, że u kręgowców testosteron może hamować funkcję układu odpornościowego i wzmacniać męskie wyświetlacze seksualne. Jednak ” to, że tak wiele z nich jest zamykane lub przebudowywane, jest po prostu Dzikie!”
Dla Rosenthala i Murchisona wyniki podkreślają, w jaki sposób rewolucja genomiczna umożliwiła naukowcom wyjście poza dobrze rozumiane organizmy modelowe w laboratoriach i zbadanie różnych adaptacji życia na Ziemi. „Jest tak wiele do nauczenia się nie tylko o odporności, ale o całej biologii, badając ewolucyjnie rozbieżne linie”, mówi Murchison. „I nigdy tak naprawdę nie wiesz, co znajdziesz, ponieważ przyroda jest tak szeroka i różnorodna i istnieje tak wiele adaptacji do bardzo wyspecjalizowanych nisz.”
J. B. Swann, et al. „Immunogenetyka pasożytnictwa seksualnego”, Nauka, doi:10.1126 / nauka.aaz9445, 2020.