In een scheepsdok in de Californische plaats Monterey, VS, schrapen onderzoekers van Stanford University een soort bloemachtige klodders van de wand af.
Al hebben de boeketjes een diameter van slechts een paar centimeter, waardoor je ze zo over het hoofd zou zien, ze kunnen ons vertellen hoe bloed ontstaan is bij grote gewervelde dieren, zoals wijzelf.
Want deze bloemen bestaan uit kleine dieren met een bloedstelsel dat sterk op dat van ons lijkt, en kunnen inzicht geven in onze afweer en de bestrijding van kanker.
Doorzichtigheid komt van pas
Het dier, Botryllus schlosseri, valt onder de zakpijpen: een diergroep met een doorzichtige zak om zich heen. Botryllus, of sterretje, komt in de meeste vaarwateren voor; ook in de Noordzee.
Als jong zwemt het sterretje vrij rond met een staart, een primitief brein en een soort ruggengraat.
Maar als hij volwassen wordt, hecht hij zich vast aan een steen en treedt er een radicale metamorfose op, waarbij zijn kleine staart, zijn spieren en zijn primitieve ruggengraat verdwijnen.
Vervolgens vormt hij met circa 4 tot 20 andere sterretjes een kolonie.
Aan de kusten vind je grote Botryllus-kolonies.
Zo’n kolonie met een diameter van 5 à 10 millimeter hecht zich aan rotsen en andere harde oppervlakken in het getijdengebied in sierlijke bloempatronen met oranje, gele, rode, witte, paarse of grijsgroene kleuren.
Elk sterretje is slechts 2 à 5 millimeter lang en heeft de vorm van een druppel, waarvan de punt naar het midden van de kolonie wijst.
Hoewel ieder individu nog zijn eigen hart, spijsverteringsstelsel en kieuwen heeft, functioneert de kolonie in de praktijk als één groot organisme.
Transparante netwerken van bloedvaten verbinden de sterretjes met elkaar, waardoor ze bloed en stamcellen kunnen uitwisselen.
En die doorzichtigheid maakt het dier voor wetenschappers heel aantrekkelijk, omdat ze daardoor kunnen zien hoe de cellen door de kolonie bewegen.
Sterretjes leven in kolonies van 4 à 20 individuen, die versmelten met andere kolonies en hun bloed en immuunsysteem delen.
Primitief beenmerg gevonden
Na het verzamelen van Botryllus-kolonies in Monterey isoleerden de wetenschappers bloedstamcellen, hematopoietische stamcellen genaamd, die de voorloper zijn van alle cellen in het bloed – van bloedplaatjes en rode bloedcellen tot het leger van witte bloedcellen van het immuunsysteem.
Bij mensen zitten bloedstamcellen in het beenmerg, waar ze miljoenen bloedcellen per uur voortbrengen.
En het beenmerg is daar een perfecte omgeving voor, want het beschermt de kwetsbare, gespecialiseerde ontwikkeling van stamcellen tot allerlei soorten bloedcellen.
Na de transformatie verlaat de bloedcel het beenmerg en komt hij in de bloedbaan terecht. Bijzonder is dat bloedstamcellen ook hun weg terug van het bloed naar het beenmerg kunnen vinden.
Om te zien of Botryllus beenmerg heeft, injecteerden de wetenschappers de kolonie met gekleurde Botryllus-bloedstamcellen en volgden ze de bloedsomloop.
Zo ontdekten ze dat de bloedstamcellen aangetrokken werden door de endostyle, een langwerpig orgaan.
Toen onderzochten ze welke genen actief zijn in de endostyle – en wat bleek?
Hoewel er tussen het sterretje en zoogdieren ruim 500 miljoen jaar evolutie verschil zit, vonden ze zeker 327 gemeenschappelijke genen die extra actief zijn in zowel de endostyle als in het menselijke beenmerg – en die betrokken zijn bij de vorming van het bloed en de immuuncellen.
Botryllus heeft een orgaan dat de endostyle heet. Het lijkt op het beenmerg van mensen, want het vormt ook alle bloedcellen.
Langwerpig orgaan maakt bloed aan
De endostyle is het ‘beenmerg’ van sterretjes. In het langwerpige orgaan zitten de bloedstamcellen, die alle typen bloedcellen produceren.
De endostyle en het beenmerg van mensen hebben 327 gemeenschappelijke actieve genen en vormen een aantal vergelijkbare cellen.
In tegenstelling tot andere ongewervelde dieren maken sterretjes een tak van cellen aan uit zogeheten myeloïde stamcellen, die je verder alleen bij gewervelde dieren vindt.
De morulacellen, immuuncellen, doen bovendien denken aan onze killercellen. Ze bestrijden vreemde lichamen en weren andere Botryllus-kolonies die niet matchen.
Anus
Darm
Maag
Hart
Endostyle
Mond
Net als bij zoogdieren zijn bij sterretjes veel immuuncellen afkomstig van myeloïde stamcellen: een tak van bloedstamcellen.
Het is hun taak om vreemde lichamen als bacteriën, virussen en kankercellen op te slokken.
Bovendien vormen sterretjes het celtype morula, dat vergelijkbaar is met de natuurlijke killercellen bij de gewervelde dieren, waartoe ook zoogdieren behoren.
Eiwit scheidt vriend van vijand
Als twee Botryllus-kolonies elkaar naderen, zullen ze proberen met elkaar te versmelten.
De morulacellen stromen naar ampullen aan de uiteinden van de kolonie en maken zich op om de andere kolonie te verkennen.
Of de kolonies compatibel zijn en kunnen fuseren, wordt bepaald door het BHF-gen.
Dit produceert een eiwit dat werkt als ijkpunt om te bepalen of de partijen genetisch identiek zijn en geschikt zijn voor fusie.
Killercellen houden elkaar scherp in de gaten
Kolonie deelt bloed en immuunsysteem
Een Botryllus-kolonie telt 4 tot 20 druppelvormige individuen en is circa 5 millimeter in doorsnee. Elk individu heeft een zogeheten endostyle, die bloed- en immuuncellen aanmaakt en deelt met de rest van de kolonie in een gezamenlijke bloedsomloop.
Kolonies tasten elkaar af
Als twee kolonies in contact komen via hun ampullen, stromen de immuuncellen daarheen. Het aantal morulacellen, die overeenkomen met de natuurlijke killercellen bij mensen, wordt snel verviervoudigd als verdediging als de kolonies niet compatibel zijn.
Alleen het juiste eiwit kan kolonies verenigen
Elke kolonie heeft zijn eigen variant van het eiwit BHF. Is er een match in het eiwit van de twee kolonies, dan beginnen ze samen bloedvaten te vormen en wisselen ze bloed en cellen uit. Wijken de eiwitten af, dan zorgen de morulacellen voor een ontsteking.
Als beide kolonies dezelfde versie van het eiwit produceren, reiken ze naar elkaar uit met bloedvaten om bloed uit te wisselen.
Maar als ze verschillende varianten van het eiwit hebben, stoten de morulacellen elkaar af met een ontstekingsreactie.
BHF-eiwitten zijn vergelijkbaar met onze MHC-eiwitten. Wanneer killercellen patrouilleren in het menselijk lichaam, maken ze voortdurend contact met andere cellen om na te gaan of het geen indringers zijn.
Cellen zonder herkenbare MHC-eiwitten worden belaagd door de killercellen, die de celmembranen aantasten en vreemde lichamen doden.
Twee Botryllus-kolonies versmelten en wisselen cellen uit. De kolonies zijn eerst in een fluorescerende stof gelegd die in alle cellen dringt, zodat ze met de microscoop te zien zijn.
Hoop voor orgaanontvangers
De wetenschappers zijn zeer enthousiast over de opmerkelijke parallellen tussen het immuunsysteem en de bloedvorming bij sterretjes en mensen.
Charles Darwin was er al van overtuigd dat we van zakpijpen kunnen leren hoe gewervelde dieren zijn ontstaan en geëvolueerd, want in de vroege levensfasen doen ze aan elkaar denken.
Nu ondersteunt de studie van de zakpijpen in Monterey Bay die theorie.
De bloedvorming bij sterretjes kan dus de schakel zijn tussen de simpele bloedsystemen bij ongewervelde dieren en de meer complexe soorten bloed bij de grote gewervelde dieren.
327 bloedvormende genen heeft de mens gemeen met Botryllus schlosseri.
Bij de meeste dieren is het onmogelijk om te observeren hoe bloedstamcellen zich gedragen, want daarvoor zitten ze te diep in het beenmerg. Maar dat probleem speelt niet bij de transparante Botryllus.
Bij dit dier kunnen de wetenschappers goed volgen hoe nieuw gevormde bloedceltypen de kolonie in trekken, hoe immuuncellen op elkaar inwerken terwijl ze zich voorbereiden op een aanval en hoe afzonderlijke sterretjes hun bloedvaten aan elkaar koppelen.
Wetenschappers hebben de zoomlens tevoorschijn gehaald en twee doorzichtige botryllus-kolonies gefilmd, die bloed uitwisselen.
Deze waarnemingen kunnen cruciale kennis opleveren over de bloedvorming en het immuunsysteem bij mensen, en dat kan belangrijk zijn bij de behandeling van onder meer auto-immuunziekten, infecties, allergieën en kanker.
Zo kunnen gezwellen beter worden aangevallen als wetenschappers de migratie van immuuncellen kunnen manipuleren en meer pas ontstane immuuncellen vanuit het beenmerg naar het gebied kunnen leiden waar de tumor zich bevindt.
Bovendien kan het onderzoek helpen bij orgaantransplantaties.
Als de onderzoekers weten welke signalen bepalen of kolonies met elkaar versmelten of niet, kunnen de immuuncellen worden getraind om weg te blijven van pas getransplanteerde organen, zodat die niet worden afgestoten.