Ur-Wirbeltiere mit anpassungsfähigem Immunsystem
Wichtiges Organ unseres adaptiven Immunsystems ist weiter verbreitet als angenommen: Max-Planck-Forscher zeigen Thymus-ähnliche Strukturen am primitiven Neunauge
Zu den großartigen Erfindungen der Evolution gehört das adaptive Immunsystem: Auf Krankheitserreger reagiert unser Körper mit der Produktion von hochspezialisierten Abwehrzellen – den T-Lymphozyten, die im Thymus heranreifen –, und mit Antikörpern, die Eindringlinge auch Jahre später noch wiedererkennen. Ob dieses ausgeklügelte Abwehrsystem mit den dafür notwendigen Organen nur höheren Wirbeltieren vorbehalten ist, war eine Frage, die Wissenschaftler seit 150 Jahren beschäftigte. Eine Arbeitsgruppe um Thomas Boehm vom Max-Planck-Institut für Immunologie und Epigenetik in Freiburg konnte zusammen mit amerikanischen Wissenschaftlern diese Debatte nun beenden: Die Wissenschaftler entdeckten, dass Neunaugen, die wohl primitivsten lebenden Wirbeltiere, bereits Thymus-ähnliche Gewebe aufweisen. Schon sie verfügen damit über die zentrale Struktur der spezifischen Immunabwehr.
Urtümliches Wirbeltier mit ausgeklügelter Immunabwehr: das Neunauge
© MPI of Immunobiology and Epigenetics
Die Frage, wann und wie der Thymus entstanden ist, ist keineswegs nur stammesgeschichtlich interessant, sondern auch von medizinischer Bedeutung. „Wenn wir die Entwicklung und Funktion dieses Organs im Detail bei verschiedenen Organismen verstehen, kann dies letztlich auch zum besseren Verständnis von Immunerkrankungen beim Menschen beitragen“, erklärt Boehm, der sich seit Jahren mit dem Immunsystem verschiedener Lebewesen beschäftigt. In der Thymusdrüse, die beim Menschen oberhalb des Herzens liegt, reifen bei den derzeit lebenden höheren Wirbeltieren die T-Lymphozyten oder T-Zellen zu schlagkräftigen Abwehrzellen unseres Körpers heran. Sobald sie dieses Organ verlassen, können sie körperfremde Moleküle erkennen und damit Bakterien oder Viren gezielt angreifen. Auf der Oberfläche der T-Zellen sitzen spezifische Rezeptoren, die an die Eindringlinge (Antigene) binden und sie anschließend vernichten. Gemeinsam mit den B-Lymphozyten, die ebenfalls Fremdkörper erkennen, aber auf die Produktion von passenden Antikörpern spezialisiert sind, hat sich ein lernfähiges Abwehrsystem ausgebildet, das ein exzellentes Gedächtnis für die Strategien der Feinde hat.
Lange Zeit waren die meisten Immunologen und Evolutionsbiologen davon überzeugt, dass dieses adaptive Immunsystem den höher entwickelten Wirbeltieren vorbehalten ist. Ur-Wirbeltieren wie den Neunaugen – fischähnliche, lebende Fossilien, die vor rund 500 Millionen Jahren entstanden sind – sprach man noch bis vor wenigen Jahren die Fähigkeit zur Bildung von Antikörpern ab. Doch 2004 konnten amerikanische Wissenschaftler zeigen, dass das Neunauge keineswegs nur unspezifisch auf Krankheitserreger reagieren kann. Sie fanden, dass in den Lymphozyten der Neunaugen Antigen-Rezeptoren gebildet werden, Proteine, die ähnlich variabel sind wie die Antikörper der höheren Wirbeltiere. Und mehr noch: Diese variablen Lymphozyten-Rezeptoren scheinen ebenfalls in zwei Formen zu entstehen: T-ähnliche Lymphozyten bildeten Rezeptoren vom Typ A auf ihrer Oberfläche aus, während B-ähnliche Zellen Typ–B-Rezeptoren herstellten.
„Mit der Entdeckung T-Zell-ähnlicher Lymphozyten flammte die alte Frage wieder auf: Gibt es vielleicht sogar ein Thymus-ähnliches Gewebe bei primitiven Wirbeltieren wie dem Neunauge?“ Trotz vieler Bemühungen hatte man diese bisher nicht nachweisen können. Boehm und sein Team nutzten nun modernste genetische Methoden, um erneut danach zu suchen. Und sie wurden endlich fündig. Im Bereich der Kiemen fanden sie Thymus-ähnliche Strukturen, sogenannte Thymoide. Nur dort wurden spezifisch die Gene aktiv, die bei der Produktion der variablen Lymphozyten-Rezeptoren vom A-Typ beteiligt sind. „Wir gehen nun davon aus, dass schon das Neunauge über ein duales System der Immunabwehr verfügt, das wir auch vom Menschen her kennen“, so Boehm. Während die „T-Zellen“ im Thymoid heranreifen, scheinen sich die „B-Zellen“ in einer dem Knochenmark funktionell äquivalenten Struktur zu entwickeln.
Die Entdeckung dieses Thymus-ähnlichen Gewebes beim Neunauge ist für die Wissenschaftler ein wichtiger Schritt. „Zum ersten Mal haben wir nun vielleicht die Möglichkeit, die Struktur und das Design eines anpassungsfähigen Immunsystems zu verstehen“, erklärt Boehm. Das Neunauge hat offensichtlich vor 500 Millionen Jahren parallel zu den höheren Wirbeltieren ein andersartiges, aber ähnlich funktionstüchtiges Abwehrsystem entwickelt. Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Systemen sollten also zu den unverzichtbaren Grundprinzipien des Immunsystems gehören. „Vom Hai bis zum Menschen dagegen ist das Immunsystem ähnlich komplex“, erklärt Boehm; „da sehen wir den Wald vor lauter Bäumen nicht mehr.“ Deshalb erhoffen sich die Wissenschaftler auch neue Einsichten in Fehlfunktionen der Immunabwehr, wie beispielsweise Autoimmunerkrankungen. Zunächst aber wird es darum gehen, die genetischen Mechanismen im Abwehrsystem der primitiven Neunaugen besser zu verstehen.
Originalveröffentlichung
Baubak Bajoghli, Peng Guo, Narges Aghaallaei, Masayuki Hirano, Christine Strohmeier, Nathanael McCurley, Dale E. Bockman, Michael Schorpp, Max D. Cooper, and Thomas Boehm; "Identification of a thymus candidate in lampreys Nature", 3. Februar 2011
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Life-Science-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für Biotechnologie, Pharma und Life Sciences bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
