Molecular analysis of self/non-self recognition in the hermaphroditic urochordate Ciona intestinalis

Sommer, Felix

The ability to distinguish self from non-self is a fundamental feature of all metazoans allowing them to recognize potential pathogens, keep their genetic integrity and assure successful reproduction. The molecular mechanism of self/non-self recognition is completely known only for vertebrates. But how do other animals distinguish self from non-self? Urochordates are the closest living relatives of vertebrates which display naturally occurring histocompatibility reactions and in addition are self-sterile hermaphrodites. These animals, therefore, require two self/non-self recognition systems. In Ciona intestinalis several variable receptors have been isolated from two cryptic species inhabiting the Pacific Ocean and the Northern Atlantic (A and B): Themis has been shown to control self-sterility in species A while in species B the highly polymorphic vCRL gene has been identified by our research group. vCRL was proposed to be a self/non-self recognition receptor, but its exact function remained unknown. In my thesis I analyzed the function of the individual-specific vCRL gene in Ciona intestinalis species B. Anti-vCRL antibodies, segregational analysis and transgenic knockdown animals were used to elucidate an involvement of vCRL in self/non-self discrimination processes. In vitro antibody interference assays showed that vCRL is involved in gamete interaction. However, segregational analysis demonstrated that the vCRL locus is not controlling self-sterility. In contrast to that, fertilization outcomes could be solely explained by segregation of two Themis loci. Thus, gamete self-incompatibility in both species of Ciona intestinalis is controlled cooperatively by two Themis loci. Interestingly, knock-down of vCRL gene expression resulted in a drastic developmental arrest during metamorphosis which is caused by an impaired formation of the blood system. The data, therefore, demonstrate that vCRL might serve as self marker on the surface of developing blood cells. Thus, in the absence of MHC variable complement component might be utilized as an individuality marker in Ciona. My findings demonstrate a possible evolutionary link between invertebrate histocompatibility and innate immunity. Moreover, components of the complement system might have an evolutionary ancient function not only in the immune system, but also in histocompatibility.

Die Fähigkeit der Selbst-/Nichtselbsterkennung ist eine fundamentale Eigenschaft aller vielzelligen Tiere, um potentielle Pathogene zu erkennen, die eigene genetische Integrität zu wahren und eine erfolgreiche Fortpflanzung hermaphroditer Organismen zu gewährleisten. Die molekularen Mechanismen dieser Erkennungsreaktionen sind bisher nur bei Vertebraten komplett verstanden. Wie aber unterscheiden andere Tiergruppen Selbst von Nichtselbst? Urochordaten sind die nächstlebenden Verwandten der Wirbeltiere, die über natürlich auftretende Histokompatibilitätsreaktionen verfügen und selbststerile Hermaphroditen sind. Folglich benötigen sie zwei unterschiedliche Systeme zur Selbst-/Nichtselbst-erkennung. Für Ciona intestinalis wurden variable Rezeptoren aus beiden kryptischen Spezies (A und B) isoliert, welche im Pazifischen Ozean und dem Nordatlantik vorkommen: Themis kontrolliert die Selbststerilität in Spezies A, wohingegen aus Spezies B das hochpolymorphe Gen vCRL durch unsere Arbeitsgruppe isoliert wurde. Es wurde vorgeschlagen, dass vCRL möglicherweise Erkennungsmechanismen vermittelt, Funktionelle Untersuchungen fehlten jedoch. Diese Arbeit beschäftigte sich darum mit der funktionellen Analyse von vCRL in Ciona intestinalis Spezies B. Anti-vCRL Seren, Segregationsanalyse und transgene Tiere wurden verwendet, um den Einfluss von vCRL auf Selbst-/Nichtselbst-erkennungsprozesse zu studieren. In vitro Interferenz-Versuche erwiesen, dass vCRL funktionell an der Interaktion der Gameten beteiligt ist. Jedoch zeigte eine Segregationsanalyse, dass nicht vCRL die Selbststerilität kontrolliert sondern zwei Themis loci, deren Allele mit dem Befruchtungsausgang korrelierten. Interessanterweise resultierte das Abschalten der vCRL Genexpression in einer drastischen Arretierung der Entwicklung während der Metamorphose, da kein funktionelles Blutsystem gebildet werden konnte. Folglich könnte vCRL als Selbstmarker auf sich entwickelnden Blutzellen dienen. Somit würden in Ciona variable Komponenten des Komplementsystems als Individualitätsmarker verwendet werden. Dies deutet darauf hin, dass die Histokompatibilität und das angeborene Immunsystem der Invertebraten evolutionär miteinander verbunden sind. Außerdem könnten Komponenten des Komplementsystems eine evolutionär ursprüngliche Funktion nicht nur im Immunsystem sondern auch in der Histokompatibilität haben.

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Sommer, Felix: Molecular analysis of self/non-self recognition in the hermaphroditic urochordate Ciona intestinalis. 2010.

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