Botryllus Schlosseri als einzigartiges koloniales Akkordatmodell zur Untersuchung und Modulation der angeborenen Immunaktivität

Abstrakt:

Das Verständnis der Mechanismen, die die immunologische Nichtreaktivität aufrechterhalten, ist für die Erhaltung des Gewebes in syngenen und allogenen Bedingungen, wie z. B. Transplantation und Schwangerschaftstoleranz, von entscheidender Bedeutung. Während die meisten Transplantationsabstoßungen aufgrund der adaptiven Immunantwort auftreten, ist die proinflammatorische Reaktion der angeborenen Immunität für die Aktivierung der adaptiven Immunität notwendig. Botryllus schlosseri, ein koloniales Manteltier, das den Wirbeltieren am nächsten kommt, verfügt nicht über eine auf T- und B-Zellen basierende adaptive Immunität. Es verfügt über einzigartige Eigenschaften, die es zu einem wertvollen Modellsystem für die Untersuchung angeborener Immunitätsmechanismen machen: (i) ein natürliches allogenes Transplantationsphänomen, das entweder zur Fusion oder zur Abstoßung führt; (ii) Regeneration ganzer Tiere und nichtentzündliche Resorption jede Woche; (iii) allogene Resorption, die mit der chronischen Abstoßung beim Menschen vergleichbar ist.

Jüngste Studien an B. schlosseri haben zur Erkennung eines molekularen und zellulären Gerüsts geführt, das dem Verlust der Toleranz gegenüber allogenen Geweben der angeborenen Immunität zugrunde liegt. Darüber hinaus wurde B. schlosseri als Modell für die Untersuchung der Transplantation hämatopoetischer Stammzellen (HSC) entwickelt und liefert weitere Einblicke in die Ähnlichkeiten zwischen den HSC-Nischen von Menschen und B. schlosseri. In diesem Aufsatz diskutieren wir, warum die Untersuchung der molekularen und zellulären Wege, die eine erfolgreiche angeborene Immuntoleranz bei B. schlosseri steuern, neue Einblicke in und mögliche Modulationen dieser Immunprozesse beim Menschen liefern kann.

Immunität steht in engem Zusammenhang mit Non-Response-Mechanismen. Der Nichtreaktionsmechanismus ist ein wichtiges Mittel zur Aufrechterhaltung der Stabilität der inneren und äußeren Umgebung des menschlichen Körpers und ein wichtiger Faktor zur Gewährleistung der normalen Lebensgesetze des Körpers. Ohne die Existenz von Non-Response-Mechanismen wird die Funktion der Immunität stark eingeschränkt.

Beispielsweise sind das Stratum corneum und die Schleimhaut auf der Körperoberfläche äußerst wichtig für die Abwehr äußerer pathogener Mikroorganismen, die Teil der angeborenen Immunität des menschlichen Körpers sind. Ohne einen solchen Mechanismus wird es schwierig sein, eine wirksame Krankheitsresistenz zu erreichen, egal wie stark das menschliche Immunsystem ist. Wir sollten auch im täglichen Leben auf die Verbesserung der Immunität achten. Bei unserer Forschung haben wir herausgefunden, dass Cistanche die Immunität verbessern kann. Cistanche enthält eine Vielzahl biologisch aktiver Bestandteile, wie Polysaccharide, zwei Pilze, Huang Li usw. Diese Inhaltsstoffe können verschiedene Zellen des Immunsystems stimulieren und deren Immunaktivität steigern.

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Schlüsselwörter:

Immuntoleranz; Allo-Erkennung; Stammzelltransplantation; Botryllus schlosseri; Manteltiere; angeborene Immunität; Immunabstoßung; Immunmodulation.

1. Einleitung

Die Untersuchung der immunologischen Mechanismen, die es Tieren ermöglichen, allogene Gewebe zu regenerieren und zu erkennen, ist ein wichtiger Aspekt auf dem Gebiet der Transplantation. Bei Wirbeltieren sind T-Zellen die wichtigsten Effektorzellen des adaptiven Immunsystems für die Nicht-Selbsterkennung. Interessanterweise werden angeborene Zellen durch Entzündungssignale aktiviert, die von beschädigten oder gestressten Zellen infolge einer allogenen Transplantation freigesetzt werden; Diese angeborene Immunität ist für die T-Zell-Aktivierung und die damit einhergehende Abstoßungsreaktion notwendig [1,2].

Beispielsweise führt die Hyperaktivierung natürlicher Killerzellen (NK-Zellen) nach einer HSC-Transplantation zu einer durch NK-Zellen vermittelten Produktion proinflammatorischer Signale, die die T-Zell-vermittelte Graft-versus-Host-Reaktion (GVHD) induzieren und aufrechterhalten [3,4 ]. Auch die angeborene Immunität spielt eine wichtige Rolle für die Toleranz des Embryogewebes während der Schwangerschaft. In diesem Fall sind angeborene Reaktionen stark mit Schwangerschaftsstörungen wie wiederholtem Schwangerschaftsverlust, Frühgeburt und Präeklampsie verbunden [5–11].

Um die zellulären und molekularen Mechanismen zu untersuchen, die das angeborene Immunsystem für Toleranz oder Abstoßung steuern, prüfen wir die Idee, ein neues Modell eines kolonialen Chordates, Botryllus schlosseri, zu untersuchen. B. schlosseri wird seit Jahrzehnten untersucht und weist sehr interessante natürliche Phänomene auf, die auf angeborenen Immunreaktionen basieren, von der natürlichen Transplantation oder Abstoßung bis hin zur synchronisierten programmierten Zellentfernung und der Regeneration des gesamten Körpers. Dieser Organismus ist ein Manteltier; Es gehört zur engsten Schwestergruppe der Wirbeltiere und es fehlt ihm die adaptive Immunität auf Lymphozytenbasis [12–14]. Dies ermöglicht die Untersuchung der zellulären und molekularen Mechanismen, die die Toleranzabstoßung und -regeneration in einem System steuern, dem die durch T- und B-Zellen vermittelte Immunität fehlt.

Im letzten Jahrzehnt wurden dem Modell von B. schlosseri neue Werkzeuge und Fortschritte hinzugefügt, vom Genomprojekt [15] und Gensätzen verschiedener immunologischer Phänomene bis hin zur Isolierung von Immunzellen und der HSC-Transplantation [16,17]. Das Genom von B. schlosseri (~600 Mbp) wurde 2013 vollständig sequenziert und annotiert [15], wobei festgestellt wurde, dass viele proteinkodierende Gene eine signifikante Homologie mit mindestens 75 Prozent der menschlichen Gene aufweisen [15]. In diesem Aufsatz erklären wir die verschiedenen natürlichen, auf der angeborenen Immunität basierenden Phänomene bei B. schlosseri und wie sie mit Prozessen bei Säugetieren zusammenhängen. Darüber hinaus überprüfen wir die verfügbaren Werkzeuge und Gensätze, um die zellulären und molekularen Ebenen dieser immunologischen Phänomene in vivo und in vitro anhand dieses einzigartigen Modellorganismus zu untersuchen.

Botryllus schlosseri

B. schlosseri ist ein invasives marines Kolonialmanteltier aus dem Stamm Chordata, das heute auf der ganzen Welt zu finden ist [18,19]. Manteltiere wurden nach der gallertartigen „Tunika“-Struktur benannt, die ihren Körper bedeckt und von Charles Darwin als grundlegender Hinweis in der Evolution der Wirbeltiere vorgeschlagen wurde [20]; Tatsächlich ergaben molekulare Phylogenetikstudien, dass sie die nächsten lebenden Verwandten der Wirbellosen sind [21,22].

B. schlosseri kann sich entweder sexuell oder ungeschlechtlich vermehren [23,24]. Nach der Befruchtung führt eine Reihe klassischer embryonaler Entwicklungsstadien über einen Zeitraum von 6 Tagen dazu, dass eine Kaulquappenlarve auf dem sexuellen Weg gezeugt wird [23]. Dieses Larvenstadium ist ein wichtiger Hinweis auf die enge Verwandtschaft mit Wirbeltieren, da es Merkmale wie Schwanz, Chorda, Neuralrohr und quergestreifte Muskulatur aufweist (Abbildung 1A) [15,22,23,25]. Die schwimmende Larve setzt sich innerhalb weniger Stunden nach dem Schlüpfen auf einem Substrat ab und verwandelt sich in eine sessile Larve mit einem wirbellosen Körperbau (Abbildung 1B), der einen zyklischen explosionsartigen Prozess auslöst, der zur Bildung einer Kolonie genetisch identischer Zooide führt Knospen [23,26].

Der Knospungszyklus dauert 7 Tage und beginnt damit, dass sich Sekundärknospen in Primärknospen verwandeln, die am Ende des Zyklus die vorherige Generation von Zooiden ersetzen, deren Zellen durch programmierten Zelltod sterben und durch programmierte Zellentfernung beseitigt werden (Abbildung 1C) [ 17,23,27–29]. Dieser zyklische Knospungsprozess wird durch Stammzellen vermittelt, die den Organismus ein Leben lang unterstützen und für die Organogenese im asexuellen Reproduktionszyklus und die Gametogenese im sexuellen Reproduktionsweg verantwortlich sind [17,30–35].

B. schlosseri verfügt über unterschiedliche Stufen natürlich vorkommender Immunantworten. Wenn sich zwei genetisch kompatible Kolonien, die mindestens ein Allel in ihrem Botryllus-Histokompatibilitätsfaktor (BHF)-Gen teilen, berühren, verschmelzen sie, teilen sich den Kreislauf und bilden eine Chimäre (Abbildung 1D, oben) [36–38].

Inkompatible Kolonien, die kein Allel im BHF-Gen teilen, unterliegen jedoch einer Abstoßungsreaktion, wodurch Abstoßungspunkte zwischen den Kolonien mit nekrotischem Gewebe entstehen (Abbildung 1D, unten) [31,33,34,36–38]. Interessanterweise wird bei fusionierten Tieren auf halbkompatibler Ebene in einigen Fällen ein chimärer Partner durch einen entzündlichen Prozess der allogenen Resorption eliminiert, der mit der chronischen Abstoßung beim Menschen vergleichbar ist (Abbildung 1E) [16,39].

Ein weiteres faszinierendes Phänomen, das auftritt, wenn zwei kompatible Kolonien den Kreislauf verschmelzen, ist die Stammzellkonkurrenz, wobei Stammzellen einer Kolonie die Fortpflanzungsorgane der anderen Kolonie infiltrieren, die Gametogenese überholen und die Nachkommen ihres Genotyps hervorbringen; Somit stellen die Stammzellen biologische Einheiten der natürlichen Selektion dar. Der Stammzellwettbewerb ist ein Beispiel für ein neues Feld, das sich aus der Untersuchung von B. schlosseri-Chimären entwickelt hat. Die Zellkonkurrenz bei B. schlosseri wurde in einem Experiment demonstriert, bei dem genetische Marker verwendet wurden, um den Genotyp von Körper- und Keimbahngeweben innerhalb einer Zwei-Kolonien-Chimäre zu verfolgen, wobei die Expression nur eines Genotyps in den Keimbahngeweben beider Kolonien sowie von einem Genotyp aufgedeckt wurde zu wenige Genotypen in somatischen Zellen [31,33,34]. Folgestudien zeigten weiter, dass diese Klonübernahme durch Stammzellen vermittelt wird [31].

Um die Untersuchung der Stammzellkonkurrenz auf Mäuse zu übertragen, wurden Tetrachimärenmäuse entwickelt, indem drei unterschiedlich gefärbte embryonale Stammzellen in Blastozyten injiziert wurden, die jeweils mit einem anderen fluoreszierenden Reporter markiert waren [40]. Während sich die Embryonen entwickelten, erzeugten viele benachbarte Samenkanälchen mehrere Fluoreszenzsignale; Allerdings blieben nach der Reifung nur zwei bis drei verschiedene Farben in jedem Hoden übrig [41]. Die Interpretation legt nahe, dass alle Klone bilateral in die Genitalleisten eindrangen, bei den erwachsenen Mäusen jedoch nur einer von ihnen verblieb (42). Im blutbildenden System werden Alterungs- und Krankheitsprozesse auf die Konkurrenz von Stammzellen zurückgeführt.

Mit zunehmendem Alter nimmt der Anteil der Stammzellen zu, die myeloische vs. lymphoide Blutpopulationen produzieren, was auf die Stammzellkonkurrenz zurückzuführen sein kann, wie sie bei alten gegenüber jungen Mäusen und Menschen beobachtet wurde [43–47]. Klonale Expansion und Stammzellkonkurrenz wurden deutlich in der schrittweisen Entwicklung fehlerhafter präleukämischer Klone hin zu Leukämien gezeigt [48–53] sowie in der klonalen Expansion glatter Muskelzellen bei Arteriosklerose bei Mäusen und Menschen [54,55]. Dies sind Beispiele dafür, wie Studien an B. schlosseri zu Entdeckungen in den Bereichen Entwicklung, Alterung, Krebs und Arteriosklerose von Säugetieren geführt haben [42].

2. Natürliche Transplantationsphänomene (Fusions-/Abstoßungsmechanismen)

Wenn zwei Kolonien von B. schlosseri die Ampullen (den Endpunkt ihrer Blutgefäße) berühren, erleben sie einen Prozess der Selbst-/Nichtselbsterkennung [36,38,56]. Kolonien erkennen sich gegenseitig als sich selbst und verschmelzen ihre Gefäßsysteme, um einen natürlichen Parabionten zu bilden (Abbildung 1D oben), wenn sie mindestens ein einzelnes Allel des polymorphen Histokompatibilitätsgens, Botryllus Histocompatibility Factor (BHF), gemeinsam haben [38]. Nach der Etablierung eines gemeinsamen Gefäßsystems können die Immunzellen und die Stammzellen frei von einem Partner der Chimäre zum anderen fließen und ähneln Parabionten in experimentellen Systemen von Säugetieren (Abbildung 2A–C).

Auf somatischer Ebene kann der Chimärismus über einen langen Zeitraum stabil sein, wenn beide Genotypen vorhanden und sichtbar sind. Da sich Stammzellen auch innerhalb der Chimäre frei bewegen können, kommt es in der chimären Kolonie zu einem hierarchischen Wettbewerb der Stammzellen, wobei die „Gewinner“-Zellen vererbbar dominant sind, wodurch Gonaden mit einem einzigen Keimbahnursprung entstehen und gleichzeitig somatische Chimären erhalten bleiben [33,34 ]. Erbliche Keimbahn-Gewinner- und -Verliererstämme spiegeln genetisch bedingte Stammzellphänotypen wider [31,32,35]. Interessanterweise wird in einigen Fällen fusionierter Kolonien einer der Partner resorbiert. Dies geschieht normalerweise während des Blastogenzyklus, während eine programmierte Zellentfernung der alten Zooide stattfindet; Allerdings verhindert ein entzündlicher Prozess auch den Entwicklungsprozess der neuen Zooide aus Knospen [16,39]. Dieser Vorgang wird als allogene Resorption bezeichnet (Abbildung 1E).

Genetisch nicht kompatible Kolonien unterliegen einer Immunabstoßungsreaktion, an der entzündliche und zytotoxische Zellen beteiligt sind, wodurch nekrotische Bereiche zwischen den sich berührenden Ampullen entstehen (Abbildung 1D unten) [17,36,38]. Die Grundlage für die zytotoxische Abstoßungsreaktion bilden zytotoxische Morulazellen (MCs), die nach der „fehlenden Selbsthypothese“ zu funktionieren scheinen und menschlichen natürlichen Killerzellen (NK) ähneln. Ohne die hemmende Erkennung von kompatiblem BHF töten MCs die Zielzellen ab, was zu einer nekrotischen Läsion an den Abstoßungspunkten führt (Abbildung 1D unten) [17]. Diese Allorekognition wird als wirbelloses Gegenstück zur Transplantationsimmunität angesehen [16].

3. Zooide Resorption und Regeneration als Modell für die programmierte Zellentfernung

Eine B. schlosseri-Kolonie entwickelt sich aus einer einzelnen kaulquappenähnlichen Larve, die sich durch klassische Akkordat-Embryogenese aus einem befruchteten Ei entwickelte. Die Blastogenese beginnt, wenn sich die Larve in einen filtrierenden Schleim verwandelt, der eine Knospe trägt, die sich zu einem einzelnen erwachsenen Zoooid entwickelt. Zoooide bilden Knospen, die sich jede Woche entwickeln und ersetzen und so Kolonien bilden (Abbildung 1A-C). Jede Kolonie besteht aus filtrierenden Erwachsenen (Zooiden), Primärknospen und Sekundärknospen. Der Blastogenesezyklus wird durch Veränderungen über diese drei Generationen hinweg definiert, die jede Woche bei 20 Grad auftreten [24].

Zoooide leben eine Woche und werden resorbiert, wenn die neue Generation sie ersetzt. Dieses „Übernahmeereignis“ wird durch die Koordination verschiedener molekularer und zellulärer Prozesse vermittelt, an denen die zirkulierenden Blutzellen beteiligt sind. Bevor die Übernahme stattfindet, wird ein diffuser programmierter Zelltod ausgelöst , von der Vorderseite zur Rückseite des Zooids (57), durch einen Mitochondrien-abhängigen apoptotischen Weg. Dies wurde durch eine Zunahme der Chromatinkondensation (27l, die Aktivierung von Caspasen (Caspase-3 und9) (58l) belegt , die Überexpression apoptotischer Säugetiermoleküle (d. h. Bax, Fas und FasL) und die Herunterregulierung des antiapoptotischen Bcl-2 (59). Phosphatidylserin und oxidierte Lipide werden auf der Plasmamembranoberfläche betroffener Zellen als Phagozyten exprimiert Erkennungssignale (27). In den nächsten Schritten der Übernahme infiltrieren zirkulierende phagozytische Zellen (positiv für CD36-Antikörper) seneszierendes Gewebe, verschlingen apoptotische Zellen und sterben dann ebenfalls durch Apoptose (Abbildung 1C)[27,60].

Durch die Resorption von Zooiden wird eine beträchtliche Menge an biologischem Material erzeugt, das von sich entwickelnden Knospen recycelt wird, um die explosionsartige Entwicklung aufrechtzuerhalten (611). Die Resorption von Zooiden und die allogene Resorption (ausführlich in Teil E), die in B. schlosseri-Chimären stattfindet, weisen Ähnlichkeiten im Immunsystem auf Reaktion, da bei beiden ein ständiger Crosstalk zwischen Apoptose, Selbst-/Nichtselbsterkennung und Phagozytose stattfindet [62]. Da dieser Crosstalk unter natürlichen Bedingungen auftritt, stellt B. schlosseri ein wertvolles Modell für die Untersuchung auf verschiedenen Ebenen (Gene, Metaboliten, Signalmoleküle) dar und Zellfunktionen), die Mechanismen, die die programmierte Zellentfernung steuern, die die Regeneration neuer Zooide ermöglicht.

4. Botryllus schlosseri als Modell zur Untersuchung der angeborenen Immunität

B. schlosseri verfügt über ein effizientes Immunsystem, das nicht nur Infektionen bekämpft und verhindert, sondern auch Histokompatibilitäts-, Inkompatibilitäts-, Abstoßungs- und zooide Resorptionsprozesse orchestriert. Interessanterweise wurde bei der Annotation und dem Vergleich seines Genoms mit dem Genom von Wirbellosen und Wirbeltieren festgestellt, dass zahlreiche Gene, die mit dem Immunsystem und der Hämatopoese assoziiert sind, darunter ZBTB1, MEFV, DSG3, NQ01, NQO2 und BHLHE40, die an der Leukozytenentwicklung beteiligt sind, sowie ein zusätzlicher Satz von Genen, die Vorläufern menschlicher hämatopoetischer Abstammungslinien zugeordnet werden könnten, konnten in B. schlosseri nachgewiesen werden, jedoch nicht in anderen Wirbellosenarten oder einzelnen Manteltierarten [15].

Immunantworten in B. schlosseri werden durch homöostatischen Zellumsatz und die Lizenzierung angeborener zytotoxischer Zellen vermittelt, die mit aktivierten Phagozyten zusammenarbeiten. Bei diesen Immuneffektorzellen handelt es sich um zirkulierende Blutzellen, die derzeit eine phagozytische und zytotoxische Zellaktivität aufweisen. Unter den phagozytischen Zellen hat B. schlosseri eine myeloische Abstammungslinie, die einen großen Satz an Genen mit myeloischen Abstammungslinien von Säugetieren gemeinsam hat [17]; es verfügt außerdem über Amöbozyten und große Phagozyten, die morphologisch eher mit Hämozyten von Arthropoden und Stachelhäutern verwandt sind [63]. Diese Phagozyten verschlingen Mikroorganismen und geschädigte Eigenzellen, enthalten Phagosomen mit hydrolytischen Enzymen, Lipiden und Lipofuszinen [64] und können in statische (in den Epithelien des Kreislaufsystems) und mobile (durch die Kolonie zirkulierende) Populationen unterteilt werden [65].

MCs von B. schlosseri wurden als zytotoxische Zellen charakterisiert; Sie sind der am häufigsten vorkommende Zelltyp im Kreislauf und verfügen über große zytoplasmatische Körnchen, die eine inaktive Form der Phenoloxidase (PO) enthalten [64]. Eine Genexpressionsanalyse hat gezeigt, dass sie ein Manteltier-spezifisches Genrepertoire und eine Reihe von Genen (15 Prozent) exprimieren, die eine Homologie mit Wirbeltier-Lymphozyten aufweisen [17,63].

Auf molekularer Ebene wird BsTLR1 sowohl in Phagozyten als auch in MCs von B. schlosseri als Mitglied der TLR-Rezeptorfamilie exprimiert, die aktiv an der Selbst-/Nichtselbsterkennung beteiligt ist [66]. Blutzirkulierende Zellen exprimieren auch ein Gen eines Typ-II-Transmembranproteins, das mit CD94- und NKR-p1-Rezeptoren menschlicher NK-Zellen und T-Lymphozyten verwandt ist. Dieses Protein wird während des Alloerkennungsprozesses hochreguliert [67]. Rhamnose-bindendes Lektin (BsRBL) wurde als Effektormolekül identifiziert, das Phagozyten aktiviert und so die Freisetzung von Zytokin-ähnlichen Molekülen induziert, die von den Anti-IL1- und Anti-TNF-Antikörpern erkannt werden [68]. Darüber hinaus signalisieren aktivierte Phagozyten über Ras-ähnliche kleine GTPasen, MAPKs und NF-κB-Netzwerke, die Erkennungsreaktion fremder Zellen auszulösen [69].

Die Arbeit an B. schlosseri hat uns zu der Hypothese geführt, dass angeborene Immunmechanismen während der Gewebeerhaltung, Alloerkennung und Regeneration erhalten bleiben und für die Auslösung der adaptiven Immunantwort bei Säugetieren von großer Bedeutung sind. Daher ermöglicht dieses Modell die Untersuchung der orchestrierenden zellulären und molekularen Prozesse rund um diese Immunantworten, wobei der Schwerpunkt auf angeborenen Immunantworten liegt. Diese Informationen können dann auf die menschliche Immunität übertragen werden, was sich insbesondere auf die Verbesserung therapeutischer Strategien für Stammzellen-, Gewebe- und Organtransplantationen auswirkt.

Darüber hinaus hat die Immunabwehr von Manteltieren sie zu einer potenziellen Quelle verschiedener natürlicher Arzneimittelressourcen mit großem Potenzial für pharmakologische Anwendungen gemacht. Beispielsweise spielt die hämagglutinierende Aktivität von Lektinen in der Ascidian-Hämolymphe eine wichtige Immunrolle [70]; Meereslektine wurden als potenzielle antimikrobielle und antivirale Wirkstoffe sowie als Verbindungen mit immunmodulatorischer und zytotoxischer Wirkung auf Tumorzellen untersucht [71]. Es wurde festgestellt, dass fünf homologe Transkripte von Rhamnose-Binging-Lektinen (RBLs) die Phagozytose in B. schlosseri verstärken [70]. Darüber hinaus werden Komponenten des Komplement-Alternativwegs (C3- und Bf-Orthologe) [72,73] und Komponenten des Lektinwegs (Mannose-bindendes Lektin, Ficolin und Mannose-assoziierte Serinprotease 1) von MCs transkribiert und mit der Nicht-Selbsterkennung assoziiert , Opsonisierung und Clearance von Mikroben und apoptotischen Zellen [74].

Das zuvor erwähnte PO-Enzym, das von B. schlosseri MCs degranuliert und freigesetzt wird, ist ein bioaktives Molekül mit zytotoxischer Aktivität gegen mikrobielle Infektionen (d. h. Hefezellen und Bakteriensporen) sowie körperfremde Zellen (d. h. inkompatibles Blut) [70 ,75]. MCs sind auch die Hauptquelle der löslichen Zytokin-ähnlichen proinflammatorischen Moleküle IL-1- und TNF-, die vermutlich in Gegenwart inkompatibler Zellen und Mikroben freigesetzt werden [70]. Weitere Studien sind erforderlich, um das Arzneimittelpotenzial dieser B. schlosseri-Moleküle und ihre möglichen pharmakologischen Anwendungen zu untersuchen.

In Manteltieren wurden mehrere andere Verbindungen mit antimykotischer, antidiabetischer, antioxidativer und antitumoraler Wirkung identifiziert. Ausführlichere Informationen zu diesem Thema wurden in [76,77] besprochen.

5. Botryllus als Modell für die HSC-Transplantation

Die Eigenschaften von B. schlosseri weisen viele Ähnlichkeiten mit Wirbeltieren und Säugetieren auf, sei es in der Blutzirkulation, der Stammzellbiologie oder den Immuneigenschaften [31,33,56]. Ähnlich wie bei Wirbeltieren befinden sich B. schlosseri-Stammzellen in einzigartigen Nischen, von denen angenommen wird, dass ihr Status durch ein Spektrum reguliert wird, bei dem ein Ende Ruhe und das andere Ende Differenzierung/Expansion darstellt. Im Jahr 2005 stellten Laird et al. zeigten eine stammzellbasierte Transplantation [31]; im Jahr 2008 haben Voskoboynik et al. identifizierten erfolgreich die Endostyle-Nische und isolierten daraus somatische Stammzellen von B. schlosseri (Abbildung 2D) [35]. Dieser Fortschritt führte zu weiteren Studien, die sich auf die Charakterisierung der Nische und der Stammzellen konzentrierten.

HSCs, die an der Spitze der Blut-/Immunzellenhierarchie stehen, sorgen für die Aufrechterhaltung des Blut- und Immunsystems des Organismus während seines gesamten Lebens. Sie wurden in mehreren Organismen eingehend untersucht, von denen die wichtigsten Menschen und Mäuse sind [78–81]. Im Jahr 2018 haben Rosental et al. [17] kartierten erfolgreich ganze Transkriptome von Zellen und Geweben im hämatopoetischen System von B. schlosseri, wie z. B. HSCs und ihre Nische (Endostil), Vorläuferzellen und Immuneffektorzellen. Sie sortierten 23 separate Populationen, kartierten ihre Transkriptome und identifizierten einen Zellcluster, in dem 235 Gene unterschiedlich hochreguliert waren, was eine signifikante Genaktivitätshomologie zu menschlichen und Säugetier-HSCs zeigte. Durch Transplantationstests zeigten sie diejenigen, die die HSC-Differenzierung zu anderen Botryllus-Blutzellen anreicherten, sowie diejenigen, die die Endostyle-Nische beherbergen (Abbildung 2D).

Zur Charakterisierung des Endostyles als HSC-Nische verglichen sie die Transkriptomdaten von 10 Endostyles mit denen von 34 ganzen Kolonien und fanden 327 Gene, die signifikant erhöht waren und mit den hochregulierten Genen im hämatopoetischen Knochenmark von Mäusen und Menschen gemeinsam waren. Dies deutet auf einen gemeinsamen Ursprung der Endostyle-Nische in B. schlosseri sowie des hämatopoetischen Knochenmarks von Wirbeltieren hin, der über die Homologie von HSCs und myeloischen Immunzellen hinausgeht [17,63].

Diese aktuelle Arbeit macht B. schlosseri zusammen mit früheren Forschungsergebnissen zu einem vollständigen Modell für die HSC-Transplantation, wenn man ihre Fähigkeit zur Isolierung der HSCs, ihre Interaktion mit den Immuneffektorzellen und ihre Lokalisierung in der HSC-Nische berücksichtigt (Abbildung 2D). Dazu gehört die Möglichkeit, das Ausmaß des transplantationsinduzierten Chimärismus mittels Durchflusszytometrie zu analysieren (Abbildung 2E).

6. Allogene Resorption als Modell für chronische Abstoßung

In vielen Fällen wird einer der semikompatiblen Partner nach der Fusion zwischen zwei Kolonien von B. schlosseri innerhalb weniger Wochen durch einen Entzündungsprozess resorbiert, der die Regeneration der neuen Zooide verhindert (Abbildung 1E) [39]. Die Antriebsmechanismen dieses Prozesses wurden von Corey et al. aufgeklärt, die zytotoxische MC als einen wichtigen Immuneffektorzelltyp im Prozess der allogenen Resorption identifizierten [16]. Das Vorhandensein von MC führte zu Veränderungen der Genexpression beim „verlierenden“ Partner, die Zelltodprogramme und Entwicklungsdefekte auslösen. Wenn allogene MCs adoptiv in Kolonien transplantiert wurden, verursachten sie eine Entzündungsreaktion, die die Entwicklung von Zooiden der nächsten Generation verhinderte (im Vergleich zu Scheininjektionen oder Nicht-MC-Spendern), was zeigt, dass MCs die Treiber dieses Prozesses sind. Die Isolierung und RNA-Sequenzierung von Knospen und Zooiden aus resorbierenden und nicht resorbierenden Teilen der Chimären lieferte eine Liste unterschiedlich exprimierter Gene, die eine Hochregulierung der Expression regulatorischer Gene der Wirtsabwehr und entzündungsfördernder Marker aufzeigte.

Es wurde festgestellt, dass Gene, die mit dem Komplementsystem in Zusammenhang stehen, wie MASP1, MASP2 und C3, während der allogenen Resorption Expressionsänderungen aufweisen, zusammen mit TNF-assoziierten Proteinen (TRAF3 und TRAF4), Gerinnungskomponenten (KLKB1, KLK3, F2, F8), Zelltod (CASP2/7/9) und lysosomale Proteinasen (CTSV, CTSF). Diese Daten bestätigen, dass der Prozess der allogenen Resorption verschiedene Crosstalk-Ereignisse umfasst, die in B. schlosseri weiter untersucht werden können.

Das Mitglied der Interleukinfamilie IL-17 erwies sich als ein wichtiges hochreguliertes Gen (Anstieg um das {{1}-fache). IL-17 wird von angeborenen Immunzellen sezerniert und ist an der Beseitigung von Pilzen und extrazellulären Bakterien beteiligt [82]. IL-17 fungiert als wichtiges regulatorisches Zytokin und seine Hochregulierung führt zu Gewebeschäden aufgrund übermäßiger Entzündung, chronischer Entzündung [83], Autoimmunität [84] und chronischer GVHD bei höheren Wirbeltieren [85]. Im Vergleich dazu führte die Verwendung des rekombinanten B. schlosseri-IL-17-Proteins bei B. schlosseri dosisabhängig zu einer deutlich erhöhten zellulären Zytotoxizität [16]. Dieses Ergebnis zeigt zusammen mit den Gensätzen, die die Hochregulierung klassischer Entzündungsreaktionen zeigen, die Parallelen zur chronischen Abstoßung beim Menschen.

7. Aussicht auf ein allgemeines allogenes Modell

Derzeit wird die allogene HSC-Transplantation zur Behandlung mehrerer Krankheiten beim Menschen eingesetzt; Dieser klinische Prozess ist jedoch sehr komplex und erfordert eine prophylaktische Behandlung, um eine Immunabstoßung zu verhindern [86]. Zu den bekannteren Optionen zur Prophylaxe gehören Calcineurin-Inhibitoren, Rapamycin, Mycophenolatmofetil mit (oder ohne) Anti-Thymozyten-Globulin oder, im Fall einer akuten GVHD, die Verwendung systemischer Kortikosteroide wie Methylprednisolon [87].

Trotz der jüngsten Fortschritte und des Einsatzes von Prophylaxe wird bei fast der Hälfte der allogenen HSC-Transplantationsverfahren eine akute GVHD diagnostiziert und ist mit einer schlechten Prognose verbunden [88]. Die chronische Abstoßung wird nur durch die Resistenz gegen die Behandlung mit Kortikosteroiden verschlimmert; Die Unfähigkeit, die chronische Abstoßung zu kontrollieren, führt dazu, dass einige Patienten eine erneute Transplantation benötigen, was das klinische Risiko erhöht [88]. Bei höheren Wirbeltieren spielen T-Zellen eine wichtige Rolle bei chronischer Abstoßung, GVHD und Schwangerschaftsstörungen [89,90]. Die Aufklärung der immunbezogenen Mechanismen hinter der Aktivierung dieser Effektorzellen in einem allogenen Umfeld wird uns ein besseres Verständnis dafür geben, wie ihre zytolytische Aktivierung umgangen und der Prozess der chronischen Abstoßung positiv moduliert werden kann. NK-Zellen und T-Zellen beim Menschen haben die Eigenschaft, allogenes Selbst/Nicht-Selbst zu identifizieren, gemeinsam und werden entweder durch die Identifizierung von Nicht-Selbst oder das Fehlen von Selbst aktiviert.

Bei B. schlosseri erfolgt die allogene Abstoßung ähnlich wie bei Wirbeltieren, obwohl das Immunsystem stärker angeboren ist. Wie bereits erwähnt, hat BHF in B. schlosseri einige Eigenschaften mit menschlichem MHC gemeinsam [91], da seine Erkennung als „selbst“ zu einem wichtigen Hemmmechanismus der Zytotoxizität bei der Alloerkennung führt. Die hemmende Wirkung von BHF auf die Zytotoxizität [17], kombiniert mit Beobachtungsnachweisen für die Fusion von Kolonien, die mindestens ein BHF-Allel gemeinsam haben, legt nahe, dass der Mechanismus der Zelltoxizität während der Allorekognition in diesem Manteltier vom „fehlenden Selbst“ herrührt und mit der Erkennung verglichen werden kann durch NK-Zellen in fortgeschrittenen Wirbeltieren [63]. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse Ähnlichkeiten in den angeborenen Immunantworten zwischen B. schlosseri und Menschen auf zellulärer und molekularer Ebene. Während die treibende Kraft in jedem Organismus anders ist, könnten Interaktionspunkte wie Immunwege und wichtige Erkennungsmoleküle in einem leicht zugänglichen Modell untersucht und dann in komplexe Säugetiermodelle übertragen werden.

8. Schlussfolgerungen

Die Fortschritte in der Forschung und den wissenschaftlichen Instrumenten im B. schlosseri-Modell haben B. schlosseri zu einem interessanten Modell für die Untersuchung der Reaktionen des angeborenen Immunsystems gemacht, insbesondere bei Transplantationen. Eines der bekanntesten Forschungsinstrumente, das Botryllus-Genomprojekt (15), ermöglichte eine Analyse auf genetischer und molekularer Ebene und identifizierte so den BHF (38) am Fusionshistokompatibilitätsort (92). Darüber hinaus bestätigte das Genomprojekt, dass die Manteltiere die Gruppe der Wirbellosen sind, die den Wirbeltieren am nächsten kommt, wobei viele Immungene mit Säugetieren und ihrem hämatopoetischen System geteilt werden [15].

Darüber hinaus weist B. schlosseri, wie oben erwähnt, natürlich auftretende Phänomene auf, die vielen grundlegenden immunologischen Prozessen ähneln, wie z. B. (I) Abstoßung als akute Abstoßung bei Transplantationen, (II) Fusion als natürliche Parabionten, die Stammzellen teilen, (III) Stammzellen Konkurrenz und Chimärismus, (IV) natürlicher wöchentlicher Zyklus der Zooid-Resorption und der Entwicklung neuer Knospen, der auf klassischen programmierten Zellentfernungs- und Regenerationsmechanismen basiert, die mit Wirbeltieren vergleichbar sind, und (V) allogene Resorption als chronischer Abstoßungsprozess.

Darüber hinaus wurden im Rahmen der Erforschung der oben beschriebenen Prozesse mehrere Genexpressionssätze gewonnen, die die Suche nach Kandidatengenen und Signalwegen ermöglichten, die diese immunassoziierten Prozesse beeinflussen, beispielsweise Gensätze für allogene Resorption [16], Fusion usw Histokompatibilitätsassoziierte Gene [38], 23 verschiedene Zellpopulationen und Endostyle [17] sowie zooide Regenerations- und Entwicklungsprozesse [23].

Zusammengenommen stellen die Werkzeuge und Fortschritte in B. schlosseri zusammen mit der Fähigkeit zellulärer Immunprofile in vivo und ex vivo mit zellulären und molekularen Manipulationen (von Morpholinos bis hin zu rekombinanten Proteinen) die Grundlage für zukünftige Entdeckungen zu Immunaktivierungsmechanismen in dar ein einfaches Modell, das für die menschliche Immunforschung relevant ist.

Autorenbeiträge:

Konzeptualisierung, BR; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, OG, EAM-T., TL, ST und BR; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, OG, EAM-T., TL, ST, TR, AV, BR und OG-Y.; Aufsicht, BR; Projektverwaltung, OG-Y.; Finanzierungseinwerbung, AV und BR Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Finanzierung:

Die Arbeit von BR wird von der Israel Science Foundation (ISF) mit der Fördernummer 1416/19 und dem HFSP-Forschungsstipendium RGY0085/2019 unterstützt. BR wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 948476 gefördert. AV wird vom NIH R21AG062948 und dem Chan Zuckerberg Investigator-Programm unterstützt.

Erklärung des Institutional Review Board:

Unzutreffend.

Einverständniserklärung:

Unzutreffend.

Interessenskonflikte:

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Verweise

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Oron Goldstein 1,†, Edna Ayerim Mandujano-Tinoco 1,2,†, Tom Levy 3, Shani Talice 1, Tal Raveh 3, Orly Gershoni-Yahalom 1, Ayelet Voskoboynik 3 und Benyamin Rosental 1,*.

1 Regenerative Medicine and Stem Cell Research Center, The Shraga Segal Department of Microbiology, Immunology, and Genetics, Faculty of Health Sciences, Ben Gurion University of the Negev, Beer Sheva 8410501, Israel; Orongold@post.bgu.ac.il (OG); eamanti24@gmail.com (EAM-T.); shanital@post.bgu.ac.il (ST); orlyge@post.bgu.ac.il (OG-Y.)

2 Labor für Bindegewebe, Centro Nacional de Investigación y Atención de Quemados, Instituto Nacional de Rehabilitación „Luis Guillermo Ibarra Ibarra“, Calzada Mexico-Xochimilco Nr. 289, Col. Arenal de Guadalupe, Tlalpan, Mexiko-Stadt 14389, Mexiko

3 Institut für Stammzellbiologie und Regenerative Medizin, Stanford University School of Medicine, Hopkins Marine Station, Stanford University, Chan Zuckerberg Biohub, Pacific Grove, CA 93950, USA; levyt@stanford.edu (TL); tal6933@stanford.edu (TR); ayeletv@stanford.edu (AV)

* Korrespondenz: rosentab@post.bgu.ac.il

† OG und EAM-T. haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

For more information:1950477648nn@gmail.com