Hoe een klein ongewerveld zeedier zijn eigen cellen onderscheidt van de beren van concurrenten, vertoont opvallende overeenkomsten met het menselijke immuunsysteem, volgens een nieuwe studie onder leiding van onderzoekers van de University of Pittsburgh School of Medicine.

De bevindingen, nu gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences , suggereren dat de bouwstenen van ons immuunsysteem veel eerder zijn geëvolueerd dan eerder werd gedacht en zouden kunnen helpen het begrip van transplantaatafstoting te verbeteren, en op een dag de ontwikkeling van nieuwe immunotherapieën te sturen.

"Decennia lang hebben onderzoekers zich afgevraagd of zelfherkenning in een zeedier genaamd Hydractinia symbiolongicarpus verwant was aan de processen die bepalen of een stuk huid met succes van de ene persoon op de andere kan worden geënt", zegt senior auteur Matthew Nictora, Ph.D. ., assistent-professor chirurgie en immunologie aan het Thomas E. Starzl Transplantation Institute. "Onze studie toont voor het eerst aan dat een speciale groep eiwitten, de immunoglobuline-superfamilie genaamd - die belangrijk is voor adaptieve immuniteit bij zoogdieren en andere gewervelde dieren - wordt gevonden in zo'n verre verwant dier."

Hydractinia symbiolongicarpus behoort tot dezelfde groep als kwallen, koralen en zeeanemonen. Met buisachtige lichamen versierd met tentakels om prooien te vangen, lijken de dieren een beetje op kleine versies van gekke opblaasbare buismannen die buiten een autodealer dansen. Ze groeien als kolonies die de schelpen van heremietkreeften bekleden als korstmos op een rots.

"Terwijl kolonies groeien en strijden om ruimte op krabschalen, komen ze elkaar vaak tegen", legt Nicotra uit, die ook associate director is van het Center for Evolutionary Biology and Medicine in Pitt's School of Medicine. "Als twee kolonies elkaar als zichzelf herkennen, smelten ze samen. Maar als ze elkaar identificeren als niet-zelf, vechten de kolonies door harpoenachtige structuren uit speciale cellen vrij te geven."

Nicotra en zijn collega's identificeerden eerder twee genen genaamd Alr1 en Alr2 die betrokken zijn bij Hydractinia's fuse-or-fight-systeem, maar ze voorspelden dat er meer aan de hand was.

"Als je je voorstelt dat het genoom van het dier voor ons uitgespreid is, hadden we een zaklamp op deze twee kleine punten, maar we wisten niet wat er nog meer was", zei Nicotra. "Nu zijn we in staat geweest om het hele genoom te sequensen en de hele regio rond deze genen te verlichten. Het blijkt dat Alr1 en Alr2 deel uitmaken van een enorme familie van genen."

In de nieuwe studie hebben de onderzoekers 41 Alr-genen geïdentificeerd en gesequenced, die een complex vormen dat waarschijnlijk de zelf- versus niet-zelfherkenning in Hydractinia regelt.

Vervolgens wilde het team zien hoe de eiwitten die door de Alr-genen worden gecodeerd, vergeleken worden met die in gewervelde dieren. Tot voor kort was het bijna onmogelijk om de 3D-structuur van eiwitten nauwkeurig te voorspellen op basis van de sequentie van een gen, maar in 2021 veranderde de release van een tool genaamd AlphaFold dat.

Met behulp van deze tool vergeleken de onderzoekers de structuur van Alr-eiwitten met immunoglobuline-superfamilie (IgSF) -eiwitten, een belangrijke groep die antilichamen en receptoren op B- en T-cellen van het immuunsysteem omvat. IgSF-eiwitten hebben drie karakteristieke regio's of domeinen, waaronder het V-set-domein.

"De 'V' staat voor variabel," zei Nicotra. "Wanneer een B- of T-cel gespecialiseerd wordt om een ​​bepaald pathogeen te bestrijden, worden V-set-domeinen herschikt om een ​​variabele sequentie te maken, die het immuunsysteem gebruikt om specifieke pathogenen of cellen te herkennen."

Nicotra was verrast toen hij ontdekte dat de domeinen in Alr-eiwitten 3D-structuren hadden die opmerkelijk veel leken op V-set-domeinen, ook al misten ze veelbetekenende kenmerken die gewoonlijk worden aangetroffen in IgSF-eiwitten.

"Onmiskenbaar zijn dit V-set domeinen," legde hij uit. "Ze zijn gewoon heel, heel vreemd."

Tot nu toe dacht men dat V-set domeinen waren ontstaan ​​in de tak van het dierenrijk die bekend staat als Bilateria. Deze groep is ongeveer 540 miljoen jaar geleden ontstaan ​​en omvat de meest bekende dieren, waaronder zoogdieren, insecten, vissen, weekdieren en alle anderen met rechts en links.

De vondst van V-set-domeinen in Hydractinia - die deel uitmaakt van een groep die eerder in de evolutie van dieren verscheen - suggereert dat V-set-domeinen verder terug in de evolutionaire boom ontstonden dan eerder werd gedacht.

Verschillende Alr-eiwitten hadden ook kenmerken die verband houden met immuunsignalering bij andere dieren, een andere aanwijzing dat dit eiwitcomplex betrokken is bij zelfherkenning.

"We weten veel over het immuunsysteem van zoogdieren en andere gewervelde dieren, maar we hebben alleen de oppervlakte van immuniteit bij ongewervelde dieren bekrast," zei Nicotra. "We denken dat een beter begrip van immuunsignalering in organismen zoals Hydractinia uiteindelijk zou kunnen wijzen op alternatieve manieren om die signaalroutes te manipuleren bij patiënten met getransplanteerde organen."

Andere auteurs die hebben bijgedragen aan de studie waren Aidan L. Huene, Ph.D., Steven M. Sanders, Ph.D., Zhiwei Ma, B.S., Manuel H. Michaca, B.S., heel Pitt; Anh-Dao Nguyen, Sergey Koren, Ph.D., Adam M. Phillippy, Ph.D., en Andreas D. Baxevanis, Ph.D., allen van het National Human Genome Research Institute (NHGRI); James C. Mullikin, Ph.D., van de NHGRI en de National Institutes of Health (NIH); en Christine E. Schnitzler, Ph.D., van de Universiteit van Florida. + Verder verkennen

Hoe een klein en vreemd zeedier gedurende zijn leven onbeperkt eieren en sperma produceert