Als das erste mehrzellige Leben entstand, ergaben sich neue Herausforderungen für den Transport von Ressourcen innerhalb des Organismus sowie für die Abwehr von Eindringlingen wie Parasiten und Krankheitserregern. „Die Entwicklung spezialisierter, zirkulierender Zellpopulationen – die Grundlage für Blut und Immunität – war eine entscheidende Innovation zur Lösung dieser Probleme“, schreibt ein Team um Yosuke Nagahata von der Universität Kyoto in Japan. „Eine weitere Innovation war die Diversifizierung der Blutzellen.“ So koordinieren verschiedene Arten von Immunzellen im Blut von Wirbeltieren eine facettenreiche, mehrstufige Abwehr gegen Krankheitserreger. Unklar war allerdings bisher, wie sich die verschiedenen Blutzellen im Laufe der Evolution entwickelt haben.
Vom Einzeller bis zum Menschen
Um diese Frage zu klären, verglichen Nagahata und sein Team die Genexpression in zahlreichen verschiedenen Zelllinien einer Vielzahl von Spezies: von Menschen über Mäuse, Zebrafische und Fliegen bis hin zu Seeigeln, Fadenwürmern und Schwämmen. Als urtümliche Vergleichsgruppe bezogen sie zudem mehrere Arten von Einzellern in die Analyse ein. „Die ersten Blutzellen entstanden bei frühen Tieren, die Merkmale einzelliger Vorfahren erbten“, erklären die Forschenden.
Die auffälligste Ähnlichkeit mit einzelligen Organismen stellte Nagahata und seine Kollegen bei den Makrophagen fest. Dabei handelt es sich um weiße Blutkörperchen, die als Fresszellen Krankheitserreger, Zellfragmente und andere schädliche Substanzen beseitigen und damit einen zentralen Bestandteil des angeborenen Immunsystems bilden. Der Analyse zufolge entstanden die urtümlichen Vorläufer der Makrophagen bereits vor etwa 700 Millionen Jahren, also zu der Zeit, als sich die ersten mehrzelligen Tiere entwickelten.
Diversifizierter Stammbaum
Anhand der Genexpression rekonstruierten die Forschenden im nächsten Schritt einen umfassenden Stammbaum der Blutzellen über den Zeitraum von vor 700 Millionen Jahren bis heute. Demnach entstand aus den Makrophagen als nächstes eine weitere Art von weißen Blutkörperchen, die Mastzellen. Diese spielten damals vor allem für die Abwehr von Parasiten eine Rolle; heute sind sie unter anderem als wichtiger Faktor bei Allergien bekannt.
Bei den Vorfahren der Wirbeltiere bildeten sich aus den Mastzellen zudem weitere Klassen von Immunzellen, darunter Natürliche Killerzellen sowie T-Zellen. Auch die roten Blutkörperchen, die den Sauerstoff durch unseren Körper transportieren, entstanden einst aus Mastzellen. Die B-Zellen unseres Immunsystems entwickelten sich dagegen der Analyse zufolge direkt aus den ursprünglichen Makrophagen.
Uralter Werkzeugkasten
„Unsere Studie zeigt, dass das komplexe Immunsystem der Wirbeltiere eine hochspezialisierte Erweiterung eines uralten Instrumentariums aus der Zeit vor den ersten mehrzelligen Tieren darstellt, das erfolgreich an die höheren Anforderungen der tierischen Mehrzelligkeit angepasst wurde“, berichtet das Team. So wurden wichtige Gene der einzelligen Vorfahren übernommen und für die neuen Bedürfnisse weiterentwickelt.
Die evolutionäre Entstehungsgeschichte lässt sich noch heute bei der Blutbildung nachvollziehen. Wie die Forschenden an Mäusen feststellten, besitzen Makrophagen und Mastzellen nach wie vor entsprechende Differenzierungspotenziale. „Diese Erkenntnisse geben Aufschluss über eine wechselseitige Beziehung zwischen der Evolutionsgeschichte und den heutigen Entwicklungswegen“, schreiben Nagahata und seine Kollegen. „Unser Rahmenkonzept erklärt die tiefe Kontinuität zwischen den ursprünglichen Einzellern und den Makrophagen der Wirbeltiere und bietet gleichzeitig eine solide Grundlage für die Interpretation der funktionellen Überreste, die in der heutigen tierischen Entwicklung erhalten geblieben sind.“
Quelle: Yosuke Nagahata (Kyoto University, Japan) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2528110123
