ovan: en 75 mm lång Melanocetus johnsonii hona med en 23,5 mm lång hane fäst vid hennes mage
EDITH A. WIDDER
kr Millenium s djuphavsfisk, Ceratias holboelli, inte leka, kopulera, eller göra något en fisk normalt skulle göra för att para sig. Istället, hanen—bara några centimeter lång—klämmer fast på den relativt gigantiska kvinnans kropp och släpper aldrig. Långsamt, hans kropp förvandlas till hennes, hans celler blir hennes, inklusive hans testiklar, som används för att göra avkomma. När han försvinner, två individer blir en-tar begreppet monogami till en ny nivå.
underordningen av djuphavsfisk, som består av nästan 170 kända arter, visar utan tvekan de mest dramatiska parningsvanorna i djurriket. I vissa arter fäster män bara tillfälligt på kvinnor och delar sedan vägar. I andra, som C. holboelli, ”smälter” män permanent med kvinnor eller kvinnor absorberar flera män—i vissa fall upp till åtta åt gången.
bland de många mysterierna kring dessa djuphavsmöten – de fångades bara på kamera för första gången 2018—är en immunologisk. I praktiskt taget alla andra vuxna ryggradsdjur skulle införande av vävnad från en individ till en annan framkalla ett kraftfullt immunsvar som attackerar de främmande cellerna. Varför avvisar inte den kvinnliga marulkfisken immunologiskt sett dessa parasitiska män?
en ny genomisk analys av 13 marulkarter som publiceras idag (30 juli) i Science ger några ledtrådar. Genomerna av arter som tillfälligt eller permanent smälter samman med sina kompisar har genomgått radikala förändringar av nyckelgener som ligger till grund för adaptiv immunitet—en gren av immunsystemet som är ansvarig för avstötningen av främmande vävnad—vilket gör några av dem till de första kända instanserna av ryggradsdjur som effektivt saknar ett adaptivt immunsystem. Under utvecklingens gång kan förändringar i gener som är involverade i antikroppsproduktion och cytotoxiska T-cellsvar ha banat väg för djurens konstiga reproduktionsvanor, medan det för forskare väcker frågor om hur fisken försvarar sig mot patogener i djuphavet.
”det är ganska chockerande”, säger genetiker Elizabeth Murchison från University of Cambridge som inte var inblandad i studien. ”Jag antar att vi inte borde ha för många förutfattade meningar om vad som är och inte är möjligt i naturen. Evolutionen producerar alla möjliga galna resultat, och detta är en av dem.”
immunolog Thomas Boehm och hans kollegor vid Max Planck-Institutet för immunologi och epigenetik i Tyskland ville länge veta hur vissa marulkarter kan bilda kroppsliga fusioner mellan individer och bestämde sig för att göra en analys av djurens genom. Biologiska prover från djuphavet är svåra att få tag på, men med hjälp av iktyologen Theodore Pietsch, en expert på djuphavsfiskare vid University of Washington, kunde laget få vävnadsprover från flera provsamlingar.
Boehm och hans kollegor sekvenserade DNA från 31 exemplar, som representerade 13 arter av djuphavsfisk. Det inkluderade fyra arter som parar sig genom tillfällig fastsättning och sex arter som bildar permanenta fusioner—tre av dem på ett en-till-ett-sätt, och tre som har flera män smälter samman med en enda kvinna. Teamet inkluderade också tre kontrollarter från andra marulkgrupper där män aldrig fäster vid kvinnor.
teamet undersökte en handfull väl karakteriserade gener som är kända för att vara nyckelaktörer i det adaptiva immunsvaret. Först tittade de på gener som kodar för fiskarnas stora histokompatibilitetskomplex (MHC) klass i-och II-proteiner, cellytmolekyler som skiljer sig mellan individer och gör det möjligt för T-celler att skilja kroppens egna celler från främmande. Det är MHC-klass i-receptorerna som driver cytotoxiska T-celler för att attackera främmande celler i vävnadstransplantationsinställningar.
intressant nog visade de sex permanent fästa arterna alla ovanliga, signifikanta förändringar i deras MHC-gener, som var ännu svårare hos de tre arterna där flera män smälter samman med varje kvinna. Forskarna fann också förändringar i generna som kodar för receptorer av de cytotoxiska T-cellerna som interagerar med MHC-klass i-proteinerna. I alla sex permanenta bilagor saknades till exempel två gener som kodar för sådana receptorer helt, vilket tyder på att demontering av den cytotoxiska reaktiviteten hos T-celler kan vara nödvändig för att tillåta olika marulkfiskindivider att para sig.
eftersom antikroppar riktade mot främmande vävnad också är kända för att orsaka komplikationer hos patienter under vävnadstransplantationer tittade teamet också på vissa gener som ligger till grund för antikroppsgenerering. Även om många av dessa gener tycktes vara intakta i de flesta marulkarter, fann de att aicda, som spelar en viktig roll för att skapa specifika antikroppar, var effektivt frånvarande i alla 10 arter som bildar tillfälliga eller permanenta bindningar, medan det var intakt i de tre kontrollarterna. Vissa raggener, som också är involverade i antikroppsbildning, hade samlat skadliga mutationer i arter som parar sig som grupper av män, medan dessa gener var relativt intakta i arter som parar på ett en-till-ett-sätt, såsom C. holboelli.
sammantaget, den mer extrema kopplingen mellan kompisar, desto mer extrema förändringar i adaptiva immunitetsgener verkade vara, noterar laget. Medan tillfällig bindning endast tycktes kräva reducerade antikroppssvar, verkade permanenta en-till-en-fusioner också vara associerade med begränsningen av cytotoxisk T-cellfunktion. När det gäller flera kompisar präglades detta av ännu fler förändringar, såsom avtrubbning av antikroppssvar och förlust av raggener.
till University College London immunolog och virolog Ariberto Fassati, som inte var inblandad i studien, är resultaten förvånande. Många forskare antar att immunsystemet, när det väl är etablerat, bara skulle utvecklas i en riktning, ”mot att bli mer adaptivt och mer specifikt”, säger Fassati. ”Men det här ser ut som om du faktiskt kan förlora armarna i det adaptiva immunsystemet . . . om evolutionära tryck är motiverade.”Så vitt han vet är djuphavsfiskarterna de första fallen av ryggradsdjur som har förlorat en så stor gren av sin adaptiva immunitet.
i många andra ryggradsdjur har avlägsnande av delar av det adaptiva immunsystemet katastrofala konsekvenser. Spädbarn födda med mutationer i rag-genen är till exempel allvarligt sjuka eller dör snabbt om de inte får behandling genom en benmärgstransplantation, konstaterar Boehm.
en anledning till att det adaptiva immunsystemet anses vara så avgörande är att många patogener och parasiter har lärt sig att överlista det mindre specifika, främre medfödda immunförsvaret, säger Fassati. Till exempel kan många virus, inklusive den skyldige till den pågående COVID-19-pandemin, SARS-CoV-2, hindra kroppens produktion av inflammationsdrivande interferoner, som ingår i det medfödda immunförsvaret, tillägger han. Det faktum att vissa marulk uppenbarligen kommer bra överens utan ett helt intakt adaptivt immunsystem är ”ganska anmärkningsvärt.”
denna upptäckt väcker frågan om hur de lyckas försvara sig mot patogener i djuphavet. Boehm spekulerar i att antingen fisken måste ha utvecklat något annat immunsystem helt, eller kanske har de hittat sätt att rampa upp sina medfödda immunmaskiner för att kompensera för bristen på ett adaptivt immunsvar. Kanske kunde de uppnå detta genom att kontinuerligt uttrycka interferoner, spekulerar han, placerar sina kroppar i ständig varning och gör det svårare för virus och andra patogener att etablera infektioner. För att bevisa det skulle han behöva färsk vävnad där han kunde undersöka genuttryck.
” Jag ser desperat fram emot att få djur Där jag kunde extrahera RNA och leta efter uttrycksnivåer av dessa . . . interferonrelaterade gener”, säger han. Att ta reda på hur vissa marulk klarar efter att ha förlorat adaptiv immunitet kan vara användbart för att hitta behandlingar för immunbristpatienter, tillägger han.
för honom utgör resultaten också ett kyckling-eller-ägg-dilemma: vilket kom först, modifieringarna av den genetiska arkitekturen som ligger till grund för adaptiv immunitet eller fusionsparningsstrategin? En av de arter han undersökte kan ge en ledtråd. Gigantactis vanhoeffeni tros para sig genom tillfällig bindning, men det visar några av samma förändringar i immungener som permanent fästa arter. Boehm säger att han tror att G. vanhoeffeni kan vara” på väg till permanent anknytning ” evolutionärt. ”Det verkar som om vissa förändringar i immungenomet måste ske innan denna permanenta fusion verkligen kan komma in. Det verkar som om det finns något ännu okänt evolutionärt tryck av något slag som får dessa gener att utrotas eller avvecklas.”Gil Rosenthal, en evolutionär biolog vid Texas A& M University, säger att han undrar vad dessa evolutionära tryck kan vara. Djuphavsfisk är extremt sexuellt dimorf, konstaterar han i ett mail till forskaren. ”Kvinnor är dessa mardrömmiga ljusbärande fångade monster, och män är små små saker med en enorm testis och en enorm näsa.”Honorna är förmodligen glesa i djuphavet, så det är troligt att männen spenderar mycket tid på att leta efter dem, förklarar han. När en man äntligen hittar en kvinna, det skulle vara i sitt intresse att hålla sig nära. Om det händer att honan har motstridiga intressen—som att äta män—det kan ställa in fisken för ”sexuell konflikt.”Den situationen kan på något sätt leda till en genomisk dragkamp över immunsystemet, spekulerar Rosenthal. ”Jag skulle inte bli förvånad om något av immungenomets vrak kommer från sexuell konflikt.”
det skulle inte vara det första exemplet på en avvägning mellan sexuellt beteende och immunsystemfunktion, tillägger han och noterar att testosteron hos ryggradsdjur kan sänka immunsystemets funktion och förbättra manliga sexuella skärmar. Men ”att så mycket av det stängs av eller ombyggs i är bara vild!”
till Rosenthal och Murchison understryker resultaten hur genomikrevolutionen har gjort det möjligt för forskare att våga sig bortom välkända modellorganismer i laboratorier och utforska de olika anpassningarna av livet på jorden. ”Det finns så mycket att lära sig om inte bara immunitet, utan hela biologin, genom att utforska evolutionärt divergerande linjer”, säger Murchison. ”Och du vet aldrig riktigt vad du ska hitta eftersom naturen är så bred och mångsidig och det finns så mycket anpassning till mycket specialiserade nischer.”
J. B. Swann, et al. ”Immunogenetiken för sexuell parasitism,” Science, doi: 10.1126 / science.aaz9445, 2020.