Wetenschap
Uit onderzoek blijkt dat celkannibalisme en aanverwante verschijnselen in de levensboom wijdverbreid zijn
In een nieuw overzichtsartikel beschrijven Carlo Maley en collega's van de Arizona State University cel-in-cel-verschijnselen waarbij de ene cel de andere overspoelt en soms opeet. Uit het onderzoek blijkt dat gevallen van dit gedrag, waaronder celkannibalisme, wijdverbreid zijn in de levensboom.
De bevindingen dagen de algemene perceptie uit dat cel-in-cel-gebeurtenissen grotendeels beperkt zijn tot kankercellen. Deze gebeurtenissen lijken eerder veel voor te komen bij diverse organismen, van eencellige amoeben tot complexe meercellige dieren.
Het wijdverbreide voorkomen van dergelijke interacties in niet-kankercellen suggereert dat deze gebeurtenissen niet inherent 'egoïstisch' of 'kankerachtig' gedrag zijn. De onderzoekers stellen eerder dat cel-in-cel-verschijnselen een cruciale rol kunnen spelen bij de normale ontwikkeling, homeostase en stressreactie bij een breed scala aan organismen.
De studie betoogt dat het richten op cel-in-cel gebeurtenissen als aanpak voor de behandeling van kanker moet worden opgegeven, omdat deze verschijnselen niet uniek zijn voor maligniteit.
Door aan te tonen dat gebeurtenissen een breed scala aan levensvormen omvatten en diep geworteld zijn in onze genetische samenstelling, nodigt het onderzoek ons uit om fundamentele concepten van cellulaire samenwerking, concurrentie en de ingewikkelde aard van meercelligheid te heroverwegen. De studie opent nieuwe wegen voor onderzoek in de evolutionaire biologie, oncologie en regeneratieve geneeskunde.
Het onderzoek, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , is de eerste die systematisch cel-in-cel-verschijnselen in de levensboom onderzoekt. De bevindingen van de groep kunnen helpen bij het herdefiniëren van het begrip van cellulair gedrag en de implicaties ervan voor meercelligheid, kanker en de evolutionaire reis van het leven zelf.
"We zijn voor het eerst met dit werk begonnen omdat we hebben geleerd dat cellen niet alleen strijden om hulpbronnen, maar elkaar actief doden en opeten", zegt Maley. "Dat is een fascinerend aspect van de ecologie van kankercellen. Maar verder onderzoek onthulde dat deze verschijnselen voorkomen in normale cellen, en soms sterft geen van beide cellen, wat resulteert in een geheel nieuw type hybride cel."
Maley is onderzoeker bij het Biodesign Center for Biocomputing, Security and Society; hoogleraar aan de School of Life Sciences van ASU; en directeur van het Arizona Cancer Evolution Center.
Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met eerste auteur Stefania E. Kapsetaki, voorheen bij ASU en nu onderzoeker aan de Tufts University, en Luis Cisneros, voorheen bij ASU en momenteel onderzoeker bij Mayo Clinic.
Van egoïstische naar coöperatieve celinteracties
Cel-in-cel-gebeurtenissen worden al lang waargenomen, maar worden nog steeds slecht begrepen, vooral buiten de context van immuunreacties of kanker. De vroegste genen die verantwoordelijk zijn voor cel-in-cel-gedrag dateren van meer dan 2 miljard jaar geleden, wat erop wijst dat de verschijnselen een belangrijke, maar nog niet vast te stellen, rol spelen in levende organismen. Het begrijpen van de diverse functies van cel-in-cel-gebeurtenissen, zowel in de normale fysiologie als in de ziekte, is belangrijk voor het ontwikkelen van effectievere kankertherapieën.
De recensie duikt in het voorkomen, de genetische onderbouwing en de evolutionaire geschiedenis van cel-in-cel-verschijnselen, en werpt licht op gedrag dat ooit als een anomalie werd beschouwd. De onderzoekers hebben meer dan 500 artikelen beoordeeld om de verschillende vormen van cel-in-cel-verschijnselen te catalogiseren die in de levensboom worden waargenomen.
De studie beschrijft 16 verschillende taxonomische groepen waarin cel-in-cel-gedrag voorkomt. De cel-in-cel-gebeurtenissen werden geclassificeerd in zes verschillende categorieën op basis van de mate van verwantschap tussen de gastheer- en prooicellen, evenals de uitkomst van de interactie (of één of beide cellen het overleefden).
In het onderzoek wordt een spectrum van cel-in-cel-gedrag belicht, variërend van volledig egoïstische handelingen, waarbij de ene cel de andere doodt en opeet, tot meer coöperatieve interacties, waarbij beide cellen in leven blijven. De onderzoekers vonden bijvoorbeeld bewijs van ‘heterospecifiek doden’, waarbij een cel een cel van een andere soort overspoelt en doodt, in een breed scala van eencellige, facultatief meercellige en obligaat meercellige organismen. Daarentegen kwam 'soortgelijk doden', waarbij een cel een andere cel van dezelfde soort opeet, minder vaak voor en werd slechts waargenomen bij drie van de zeven belangrijkste onderzochte taxonomische groepen.
Obligate meercellige organismen zijn organismen die gedurende hun hele levenscyclus in een meercellige vorm moeten bestaan. Ze kunnen niet overleven of functioneren als afzonderlijke cellen. Voorbeelden hiervan zijn de meeste dieren en planten. Facultatieve meercellige organismen zijn organismen die kunnen bestaan als afzonderlijke cellen of in een meercellige vorm, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden. Bepaalde soorten algen kunnen bijvoorbeeld onder bepaalde omstandigheden als afzonderlijke cellen leven, maar onder andere meercellige kolonies vormen.
Het team documenteerde ook gevallen van cel-in-cel-verschijnselen waarbij zowel de gastheer- als de prooicellen in leven bleven na de interactie, wat suggereert dat deze gebeurtenissen belangrijke biologische functies kunnen vervullen die verder gaan dan alleen het doden van concurrenten.
"Onze categorisering van cel-in-cel-verschijnselen in de levensboom is belangrijk voor een beter begrip van de evolutie en het mechanisme van deze verschijnselen", zegt Kapsetaki. "Waarom en hoe gebeuren ze precies? Dit is een vraag die verder onderzoek vereist bij miljoenen levende organismen, inclusief organismen waar cel-in-cel-verschijnselen mogelijk nog niet zijn onderzocht."
Oude genen
Naast het catalogiseren van de diverse cel-in-cel-gedragingen, onderzochten de onderzoekers ook de evolutionaire oorsprong van de genen die bij deze processen betrokken zijn. Verrassend genoeg ontdekten ze dat veel van de belangrijkste cel-in-cel-genen al lang vóór de evolutie van obligate meercelligheid ontstonden.
“Als we kijken naar genen die geassocieerd zijn met bekende cel-in-cel-mechanismen bij soorten die heel lang geleden van de menselijke afstamming zijn afgeweken, blijkt dat de menselijke orthologen (genen die zijn geëvolueerd uit een gemeenschappelijk voorouderlijk gen) doorgaans geassocieerd zijn met normale functies van meercelligheid, zoals immuunbewaking”, zegt Cisneros.
In totaal werden 38 genen geïdentificeerd die geassocieerd zijn met cel-in-cel-verschijnselen, en 14 hiervan ontstonden meer dan 2,2 miljard jaar geleden, ouder dan de gemeenschappelijke voorouder van sommige facultatief meercellige organismen. Dit suggereert dat de moleculaire machinerie voor celkannibalisme zich ontwikkelde vóór de grote overgangen naar complexe meercelligheid.
De oude cel-in-cel-genen die in het onderzoek zijn geïdentificeerd, zijn betrokken bij een verscheidenheid aan cellulaire processen, waaronder cel-celadhesie, fagocytose (verzwelging), intracellulair doden van pathogenen en regulering van het energiemetabolisme. Deze diversiteit aan functies geeft aan dat cel-in-cel-gebeurtenissen waarschijnlijk een belangrijke rol hebben gespeeld, zelfs in eencellige en eenvoudige meercellige organismen, lang vóór de opkomst van complex meercellig leven.