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Immunsystem

Wir könnten auch anders

Ausgereift wie unser Immunsystem ist - ein paar altertümliche Verwandte belegen, dass es im Prinzip auch anders ginge. Offenbar haben moderne Wirbeltiere ein ähnliches Rad einfach neu erfunden.
Natur ist im Wettbewerb durchaus materialistisch: Auf Dauer leistet sie sich etwas wirklich Kostspieliges nur, wenn dabei etwas sehr Nützliches herausspringt. Ein Beispiel ist das spezialisierte Immunsystem der Wirbeltiere. Es bewährt sich wirklich gut bei der Abwehr der überall lauernden Krankheitsgefahren, erfordert dafür aber auch enorme Investitionen. Denn prinzipiell versucht unser Körper, bereits von Geburt an gegen jede denkbare Infektionsgefahr dieser Welt eine passende Antwort parat zu haben. Dazu produziert er eine unglaubliche Anzahl unterschiedlicher Antikörper-Varianten – in der Hoffnung, dass zumindest eines dieser Proteine Angriffsziele an unbekannten Eindringlingen erkennen und die Körperverteidigungs-maschine alarmieren kann.

Um die dafür notwendige Antikörper-Vielfalt herstellen zu können, bedienen sich Lymphozyten, die verantwortlichen spezialisierten weißen Blutkörperchen der Wirbeltiere, einer Reihe raffinierter und komplizierter genetischer Tricks. Zu Beginn ihrer Entwicklung durchlaufen alle Lymphozyten eine individuelle somatische Rekombination, bei der in jeder einzelnen Immunzelllinie eine einzigartige Antikörper-Variante vorprogrammiert wird. Dazu werden einzelne Gene des Lymphozyten-Genoms ausgeschnitten und neu zusammengefügt, wobei jede Zelle auf mehrere gut gefüllte genetische Baustein-Reservoire zurückgreift: Einen Teil des Antikörpers, die "schwere Kette", mischt die Zelle etwa aus verschiedenen variablen (V-)-Stücken mit einer konstanten (C-)-Gendomäne und verbindet das Konstrukt, weiter nach dem Zufallsprinzip, mit unterschiedlichen D- (diversity) und J- (joining)-Gensegmenten. Nach zusätzlichen Umbauten entsteht so in jeder Zelle ein komplexes Immunoglobulin-Gen, das für nur eine einzigartige Antikörper-Variante kodiert.

Ein derart kompliziertes System entsteht wohl kaum über Nacht. Vielmehr waren dazu wohl einige Zwischenschritte einer langsamen Evolution notwendig, meinen Evolutionsbiologen. Komisch nur, dass von Beweisen für ein solches gemächliches Wachsen des Antikörper-Produktions-Knowhows nicht die Rede sein kann. Ein ungelöstes Rätsel in der Evolutionsgeschichte der Wirbeltiere: Haie und Rochen etwa, ziemlich altertümliche und basale Vertreter der Wirbeltiergruppe, zeigen die typische Antikörper-Produktion bereits nahezu in Perfektion. Bei den stammesgeschichtlich nur noch etwas älteren kieferlosen Wirbeltieren aber, etwa den heute noch existierenden Schleimaalen und Neunaugen, fand man auf der Suche nach dem typischen spezifischen Wirbeltier-Immunsystem – nichts. Dabei sind mit der Suche nach Spuren eines adaptiven Immunsystems bei Urwirbeltieren in den Laboren weltweit schon eine stattliche Anzahl hoffnungsvoller Nachwuchswissenschaftler verschlissen worden, wie der vergleichende Immunologe Martin Flajnik von der Universität von Maryland kommentiert.

Aus welchem Himmel also fiel das komplexe Immunsystem plötzlich? Nun, meinen Zeev Pancer von der Universität von Alabama in Birmingham und seine Kollegen – eigentlich ist es auch bei kieferlosen Wirbeltieren schon vorhanden. Im Prinzip zumindest: Das System der Kieferlosen arbeitet ähnlich, nur mit anderen Beteiligten.

Die Forscher richteten ihr Augenmerk, wie viele zuvor, auf die Lymphozyten eines kieferlosen Urwirbler-Versuchskaninchens, das Meerneunauge Petromyzon marinus – trotz vieler Mühe hatte niemand in dessen Immunzellen bisher Antikörper-Genbausteine mit ähnlichen Sequenzen wie in höheren Wirbeltieren entdeckt. Pancer und Kollegen zäumten die Suche nach Spuren eines spezifischen Immunsystems der Kieferlosen daher von hinten auf: Sie suchten nicht nach typischen Wirbeltier-Antikörpern, sondern durchforsteten die komplette Sammlung aller in den Petromyzon-Lymphozyten exprimierten Gene nach Proteinen, die in den einzelnen Immunzellen variabel in unterschiedlichen Varianten gebildet werden – ähnlich also wie die Antikörper-Varianten einzelner Lymphozyten in höheren Wirbeltieren.

Mit diesem Suchraster waren die Wissenschaftler erfolgreich: Tatsächlich, so entdeckten sie, bilden die Lymphozyten kieferloser Wirbeltiere eine ganz eigene Form der Antikörper-Gene. Auch die urtümliche Tiergruppe kombiniert dazu offenbar durch somatische Rekombination konstante Gen-Regionen mit einer Vielzahl variabler Sequenzbausteine, die durch so genannte Leucin reiche Wiederholungen (leucin-rich repeats, LRR) gekennzeichnet sind.

Im gesamten Pflanzen- und Tierreich sind derartige Leucin haltige Sequenzen typisch für die Erkennungsregionen von Immunabwehrproteinen. Ihre variable Kombination zu einer enormen Vielzahl von Antikörpern scheint allerdings offenbar eine Erfindung der Wirbeltiere zu sein. Diese Innovation aber hätten urtümliche Wirbeltiere und modernere Vertreter dann wohl unabhängig voneinander entwickelt: Die Kombinationsenzyme, die bei Säugetieren die Antikörper-Genbausteine sortieren und zusammenflicken, könnten mit den Genvarianten der Kieferlosen nichts anfangen – und umgekehrt. Und weitere Detailunterschiede fallen ins Auge: Die Antikörper der Kieferlosen etwa sind über einen Lipid-Anker in den Membranen der Lymphozyten befestigt, anders als die Antikörper oder T-Zell-Rezeptoren modernerer Wirbeltiere.

Ist bei den beiden Wirbeltier-Immunsystemen also tatsächlich das Rad zweimal erfunden worden? In den molekularen Einzelheiten durchaus, denken Pancer und seine Kollegen. Das den Abwehrsystemen gemeinsame Prinzip aber ist viel verbreiteter. Dass variable DNA-Sequenzbausteine zu vielfältigen Genvarianten zusammengefügt werden, kommt in der Natur schließlich durchaus häufig vor: Mit ganz ähnlichen gentechnischen Kombinationstricks variieren Parasiten wie der Erreger der Schlafkrankheit ihre äußere Gestalt, ändern die Auslöser der Gonorrhoe die Struktur ihrer Fortsätze und erhöhen Malaria-Parasiten die Vielfältigkeit ihrer Oberflächen-Antigene. So gesehen also bedienen sich die prominentesten Wirbeltier-Feinde und die gegen sie gerichteten, zweifach unabhängig erfundenen Verteidigungssysteme prinzipiell derselben genetischen Tricks.
08.07.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 08.07.2004

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