Artykuł opublikowany przez badaczy Technion w Natura przedstawia nowe spojrzenie na ewolucję układu odpornościowego. Odkrycia zespołu podkreślają modułowość i elastyczność ewolucji odporności.

Badanie prowadzili naukowcy z Wydziału Lekarskiego Ruth i Bruce Rappaport, prof. Shai Shen-Orr, dr Tania Dubovik i doktorant dr Martin Lukačišin, we współpracy z Rambam Health Care Campus i Carnegie Mellon University.

Układ odpornościowy jest złożony, a jego główną funkcją jest ochrona organizmu przed wirusami, infekcjami i innymi wrogimi czynnikami. Trzon tego układu stanowią różne rodzaje komórek odpornościowych, każda spełniająca swoją własną funkcję, które współpracują, aby zapewnić organizmowi niezbędną ochronę.

Interakcja między układem odpornościowym a dynamicznym środowiskiem wymaga jego ciągłych zmian. Podstawowym mechanizmem napędzającym zmiany w świecie żywym jest ewolucja, polegająca na adaptacji do zmian środowiskowych poprzez powstawanie mutacji – przypadkowych zmian genetycznych.

Jednak ze względu na dobór naturalny nie każda przypadkowa zmiana genetyczna jest korzystna dla jednostki, a nawet jeśli zmiana jest korzystna, nie jest ona utrwalana i przekazywana przyszłym pokoleniom.

Geny układu odpornościowego ewoluują szybciej niż inne geny w genomie, szczególnie u ssaków i ptaków, co wskazuje na znaczenie roli układu odpornościowego w adaptacji do środowiska w zdrowiu i chorobie.

Mimo to jego dynamika ewolucyjna nie została dotychczas dogłębnie zbadana. Wynika to głównie z faktu, że układ odpornościowy jest złożony i wysoce zmienny u poszczególnych osobników, co zaowocowało tradycją badania go na zwierzętach laboratoryjnych hodowanych w celu uzyskania jednorodności genetycznej i trzymanych w czystym, wolnym od błędów środowisku.

Naukowcy z Technion wykorzystali unikalny model genetycznie odmiennych myszy, który charakteryzuje się zmiennością podobną do tej obserwowanej u ludzi.

Korzystając z tego modelu, badacze zmierzyli różnice w typach komórek odpornościowych u myszy i zidentyfikowali geny kontrolujące liczebność każdego typu komórek odpornościowych. Wiele z tych genów wpływa na cały system poprzez regulację podziału, migracji i śmierci komórek, kontrolując ten sam typ komórek, w którym ulegają ekspresji.

Jednak w obrębie tych genów badacze zidentyfikowali zestaw genów, które ulegają ekspresji w jednym typie komórek i kontrolują inny.

Skanując genomy 60 kręgowców obejmujących ewolucyjny horyzont ~600 milionów lat, naukowcy wykazali, że ta druga grupa jest bogatsza w mutacje i zapewnia korzystną przestrzeń dla ewolucji w celu generowania nowych interakcji między typami komórek poprzez zwiększanie różnorodności bez znaczących uszkodzeń.

Według profesora Shen-Orra i jego zespołu: „Jedną z ważnych konsekwencji jest to, że zdolność układu odpornościowego do rozwijania nowych funkcji zależy bardziej od interakcji między różnymi komórkami niż w obrębie jednego typu komórek, co pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób ewoluują złożone systemy modułowe.

„Tę modułowość zaobserwowano w przeszłości w procesie ewolucji nowych funkcji genów i białek, ale nigdy nie badano jej w złożonych systemach sieciowych, takich jak oddziałujące ze sobą komórki układu odpornościowego”.

Dalsze badania nad ewolucją układu odpornościowego mogłyby zatem nie tylko rozjaśnić zasady projektowania odpowiedzi immunologicznych, ale także przyczynić się do rozwiązań biomimetycznych, np. w podejściu do inżynierii opartym na systemie systemów, które podobnie opiera się na interakcjach między jednostkami funkcjonalnymi.