An Ancient, Structurally Conserved Allorecognition Gene Complex Predates the Divergence of Major Cnidarian Lineages
Diese Studie zeigt, dass der Allorekennungs-Genkomplex (ARC) bei Hydrozoen über die wichtigsten Cnidaren-Linien hinweg strukturell und syntenisch konserviert ist, was Belege dafür liefert, dass dieses System der Divergenz der Cnidaren vorausging und möglicherweise homolog zum vertebraten Haupthistokompatibilitätskomplex (MHC) ist.
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In den überfüllten Unterwasser-Nachbarschaften des Ozeans, wo der Platz kostbar ist, erfordert das Zusammenleben einen strengen Verhaltenskodex. Für viele einfache Meeresbewohner ist die Fähigkeit, zwischen einem Nachbarn und einem Fremden zu unterscheiden, eine Frage von Leben und Tod. Diese biologische Fertigkeit, bekannt als Allorekennersung, ermöglicht es einer Kolonie winziger, verbundener Individuen zu entscheiden, ob sie mit einer nahegelegenen Gruppe verschmelzen oder diese abwehren. Wenn die Nachbarn als „Selbst“ erkannt werden, verschmelzen die Kolonien zu einem einzigen, größeren Wesen. Wenn sie „Nicht-Selbst“ sind, startet die Kolonie einen Verteidigungsangriff unter Verwendung spezialisierter Nesselzellen. Dieses System ist bemerkenswert ähnlich den Immunsystemen, die in komplexeren Tieren, einschließlich Menschen, vorkommen, welche sich auf einen Satz von Genen namens Haupthistokompatibilitätskomplex verlassen, um Freund von Feind zu unterscheiden. Wissenschaftler fragen sich seit langem, ob diese beiden Systeme, die durch hunderte Millionen Jahre der Evolution getrennt sind, einen gemeinsamen Vorfahren teilen oder ob sie sich unabhängig vone von sich aus entwickelt haben.
Ein Team von Forschern setzte sich zum Ziel, dieses Rätsel zu lösen, indem es tief in die genetischen Baupläne mehrerer Arten von Cnidaria (Nesseltieren) blickte, dem Stamm, zu dem Quallen, Korallen und Hydroiden gehören. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Gruppe von Hydroiden, einschließlich der gut untersuchten Hydractinia, die auf den Schalen von Einsiedlerkrebsen lebt und für einen dicht gedrängten Cluster von Genen bekannt ist, die dieser Selbsterkennungsaufgabe gewidmet sind. Dieser Cluster, genannt Allorekennungs-Komplex, war zuvor in Hydractinia kartiert worden, aber es war unklar, ob diese genetische Anordnung eine einzigartige Eigenheit dieser einen Art war oder ein Merkmal, das in der gesamten Tiergruppe geteilt wird. Um dies herauszufinden, wandten sich die Forscher an ein leistungsstarkes neues Werkzeug, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die dreidimensionale Form von Proteinen allein basierend auf ihrer Gensequenz vorherzusagen. Durch den Vergleich der Formen dieser Proteine über verschiedene Arten hinweg konnten sie Verbindungen sehen, die beim Blick auf den genetischen Code allein unsichtbar geblieben wären.
Die Forscher untersuchten die Genome mehrerer verschiedener Cnidaria-Arten, darunter der Hydrozoon Podocoryna, die Süßwasserpolyp Hydra und die Seeanemone Nematostella. Mithilfe fortschrittlicher Computermodellierung erstellten sie Strukturvorhersagen für Tausende von Proteinen, um zu sehen, ob irgendwelche der bekannten Allorekennungs-Proteine übereinstimmten. Ihre Suche ergab, dass diese Erkennungsgene nicht einzigartig für Hydractinia sind. Stattdessen fanden sie Hinweise auf eine ähnliche, eng verknüpfte Gruppe von Genen in Podocina, Hydra und Nematostella. In jeder dieser Arten wurden die für die Selbsterkennung verantwortlichen Gene gemeinsam auf demselben Chromosom gefunden, an einer Position, die der Lage des Komplexes in Hydractinia entspricht. Dies deutet darauf hin, dass die gesamte genetische Nachbarschaft zur Erkennung von Selbst und Nicht-Selbst von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt wurde, der lebte, lange bevor diese verschiedenen Tierlinien auseinandergingen.
Die Geschichte ist jedoch keine von perfekter, unveränderlicher Wiederholung. Während der allgemeine Ort dieser Gene über die Arten hinweg konsistent blieb, variierten die spezifische Anzahl der Gene und ihre exakte Anordnung erheblich. Beispielsweise enthielt das Genom von Podocoryna zweiundzwanzig dieser Kandidatengene, die über ein DNA-Stück von etwa 18 Millionen Basenpaaren verteilt waren, während Hydra nur zehn in einer ähnlichen Region besaß. Die Forscher stellten fest, dass Arten mit einem freischwimmenden Lebensstil, wie die Quallenphase von Podocoryna, weniger dieser Gene zu haben schienen als die streng koloniale und stationäre Hydractinia. Dieser Unterschied deutet darauf hin, dass der Druck, eine massive Bibliothek von Erkennungsgenen aufrechtzuerhalten, für Tiere am stärksten ist, die an einem Ort feststecken und ständig um Platz mit ihren Nachbarn konkurrieren. Wenn ein Tier einem Konflikt ausweichen kann, indem es schwimmt, kann sich das evolutionäre Bedürfnis nach einem solch komplexen und vielfältigen genetischen System entspannen, was dazu führt, dass einige dieser Gene im Laufe der Zeit verloren gehen.
Die Studie nutzte diese Strukturvorhersagen auch, um einen Stammbaum der Proteine selbst zu erstellen. Die Analyse zeigte, dass die Proteine in Podocoryna und Hydractinia enger miteinander verwandt sind als mit anderen Gruppen, was darauf hindeutet, dass eine spezifische Expansion dieser Gene im Vorfahren dieser beiden Arten stattfand. Trotz der Unterschiede in der Genanzahl und Anordnung blieb die Kernstruktur der Proteine bemerkenswert stabil. Selbst wenn sich die genetischen Sequenzen so stark verändert hatten, dass sie mit Standardmethoden schwer zu erkennen waren, blieb die dreidimensionale Form der Proteine konsistent, wodurch die Fähigkeit zur Ausführung ihrer kritischen Funktion erhalten blieb. Dieser Befund verstärkt die Vorstellung, dass die Proteinstruktur oft beständiger ist als der genetische Code, der sie erschafft, was es Wissenschaftlern ermöglicht, evolutionäre Linien nachzuzeichnen, die ansonsten durch die Zeit verloren gingen.
Letztendlich liefert diese Arbeit ein klareres Bild davon, wie die Immunsysteme komplexer Tiere entstanden sein könnten. Indem sie zeigt, dass ein komplexes, geclustertes System zur Selbsterkennung bereits in den Vorfahren moderner Cnidaria existierte, legt die Studie nahe, dass die Bausteine für das menschliche Immunsystem viel älter und weit verbreiteter sind als bisher angenommen. Die Forscher schlagen vor, dass die Fähigkeit, Selbst von Nicht-Selbst unter Verwendung dieser spezifischen Arten von Proteinen zu unterscheiden, ein tief verwurzeltes, geteiltes Merkmal über das gesamte Tierreich ist und kein rezentes Ereignis der Wirbeltiere. Während die genaue Beziehung zwischen diesen alten Cnidaria-Genen und dem menschlichen Immunsystem noch erforscht wird, bietet die Entdeckung dieses konservierten genetischen Komplexes ein entscheidendes Puzzleteil, das auf einen gemeinsamen evolutionären Ursprung der Wege hindeutet, mit denen Tiere sich vor der Außenwelt schützen.
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