Studie findet weit verbreiteten „Zellkannibalismus“ und verwandte Phänomene im gesamten Lebensbaum

In einem neuen Übersichtsartikel beschreiben Carlo Maley und Kollegen von der Arizona State University Zell-in-Zelle-Phänomene, bei denen eine Zelle eine andere verschlingt und manchmal verbraucht. Die Studie zeigt, dass Fälle dieses Verhaltens, einschließlich Zellkannibalismus, im gesamten Lebensbaum weit verbreitet sind.

Die Ergebnisse widerlegen die allgemeine Auffassung, dass Zell-in-Zell-Ereignisse weitgehend auf Krebszellen beschränkt sind. Vielmehr scheinen diese Ereignisse bei verschiedensten Organismen üblich zu sein, von einzelligen Amöben bis hin zu komplexen vielzelligen Tieren.

Das weitverbreitete Vorkommen solcher Interaktionen in Nichtkrebszellen lässt darauf schließen, dass diese Ereignisse nicht zwangsläufig „egoistisches“ oder „krebsartiges“ Verhalten sind. Vielmehr vermuten die Forscher, dass Zell-in-Zell-Phänomene bei einer Vielzahl von Organismen eine entscheidende Rolle bei der normalen Entwicklung, Homöostase und Stressreaktion spielen könnten.

Die Studie argumentiert, dass man von der gezielten Behandlung von Zell-in-Zell-Ereignissen als Ansatz zur Krebsbehandlung Abstand nehmen sollte, da diese Phänomene nicht nur bei bösartigen Erkrankungen auftreten.

Indem die Forschung zeigt, dass Vorkommnisse ein breites Spektrum an Lebensformen umfassen und tief in unserer genetischen Ausstattung verwurzelt sind, lädt sie uns dazu ein, grundlegende Konzepte der zellulären Zusammenarbeit, des Wettbewerbs und der komplexen Natur der Vielzelligkeit zu überdenken. Die Studie eröffnet neue Wege für die Forschung in den Bereichen Evolutionsbiologie, Onkologie und regenerative Medizin.

Der Forschungveröffentlicht in Wissenschaftliche Berichteist der erste, der Zell-in-Zelle-Phänomene im gesamten Lebensbaum systematisch untersucht. Die Ergebnisse der Gruppe könnten dazu beitragen, das Verständnis des zellulären Verhaltens und seiner Auswirkungen auf Vielzelligkeit, Krebs und die evolutionäre Reise des Lebens selbst neu zu definieren.

„Wir haben diese Arbeit zum ersten Mal gemacht, weil wir gelernt haben, dass Zellen nicht nur um Ressourcen konkurrieren – sie töten und fressen sich aktiv gegenseitig“, sagt Maley. „Das ist ein faszinierender Aspekt der Ökologie von Krebszellen. Aber weitere Untersuchungen ergaben, dass diese Phänomene in normalen Zellen auftreten und manchmal keine Zelle stirbt, was zu einem völlig neuen Typ von Hybridzellen führt.“

Maley ist Forscher am Biodesign Center for Biocomputing, Security and Society; Professor an der School of Life Sciences der ASU; und Direktor des Arizona Cancer Evolution Center.

Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit der Erstautorin Stefania E. Kapsetaki, früher bei der ASU und jetzt Forscherin an der Tufts University, und Luis Cisneros, früher bei der ASU und derzeit Forscherin an der Mayo Clinic, durchgeführt.

Von egoistischen bis hin zu kooperativen Zellinteraktionen

Zell-in-Zell-Ereignisse werden seit langem beobachtet, sind aber noch immer kaum verstanden, insbesondere außerhalb des Zusammenhangs mit Immunreaktionen oder Krebs. Die frühesten Gene, die für das Zell-in-Zelle-Verhalten verantwortlich sind, reichen mehr als zwei Milliarden Jahre zurück, was darauf hindeutet, dass diese Phänomene eine wichtige – wenn auch noch ungeklärte – Rolle in lebenden Organismen spielen. Für die Entwicklung wirksamerer Krebstherapien ist es wichtig, die vielfältigen Funktionen von Zell-in-Zell-Ereignissen sowohl in der normalen Physiologie als auch bei Krankheiten zu verstehen.

Der Aufsatz befasst sich mit dem Auftreten, den genetischen Grundlagen und der Evolutionsgeschichte von Zell-in-Zell-Phänomenen und beleuchtet ein Verhalten, das einst als Anomalie galt. Die Forscher überprüften mehr als 500 Artikel, um die verschiedenen Formen von Zell-in-Zelle-Phänomenen zu katalogisieren, die im gesamten Lebensbaum beobachtet wurden.

Die Studie beschreibt 16 verschiedene taxonomische Gruppen, in denen Zell-in-Zelle-Verhalten auftritt. Die Zelle-in-Zelle-Ereignisse wurden basierend auf dem Grad der Verwandtschaft zwischen den Wirts- und Beutezellen sowie dem Ergebnis der Interaktion (ob eine oder beide Zellen überlebten) in sechs verschiedene Kategorien eingeteilt.

In der Studie wird ein breites Spektrum von Verhaltensweisen von Zelle zu Zelle hervorgehoben, das von völlig eigennützigen Handlungen, bei denen eine Zelle eine andere tötet und verzehrt, bis hin zu eher kooperativen Interaktionen reicht, bei denen beide Zellen am Leben bleiben. So fanden die Forscher beispielsweise Hinweise auf „heterospezifisches Töten“, bei dem eine Zelle eine Zelle einer anderen Art verschlingt und tötet, bei einer Vielzahl einzelliger, fakultativ mehrzelliger und obligat mehrzelliger Organismen. Im Gegensatz dazu war „artgleiches Töten“, bei dem eine Zelle eine andere Zelle derselben Art verzehrt, weniger verbreitet und wurde nur bei drei der sieben untersuchten großen taxonomischen Gruppen beobachtet.

Obligatorisch mehrzellige Organismen sind solche, die während ihres gesamten Lebenszyklus in mehrzelliger Form existieren müssen. Sie können als Einzelzellen nicht überleben oder funktionieren. Beispiele hierfür sind die meisten Tiere und Pflanzen. Fakultativ mehrzellige Organismen sind Organismen, die je nach Umweltbedingungen entweder als Einzelzellen oder in mehrzelliger Form existieren können. Beispielsweise können bestimmte Algenarten unter bestimmten Bedingungen als Einzelzellen leben, unter anderen jedoch mehrzellige Kolonien bilden.

Das Team dokumentierte außerdem Fälle von Zell-in-Zell-Phänomenen, bei denen sowohl Wirts- als auch Beutezellen nach der Interaktion am Leben blieben. Dies lässt darauf schließen, dass diese Ereignisse wichtige biologische Funktionen erfüllen könnten, die über das bloße Töten von Konkurrenten hinausgehen.

„Unsere Kategorisierung von Zell-in-Zell-Phänomenen im gesamten Lebensbaum ist wichtig, um die Evolution und den Mechanismus dieser Phänomene besser zu verstehen“, sagt Kapsetaki. „Warum und wie genau treten sie auf? Diese Frage erfordert weitere Untersuchungen an Millionen lebender Organismen, darunter auch Organismen, bei denen möglicherweise noch nicht nach Zell-in-Zell-Phänomenen gesucht wurde.“

Alte Gene

Neben der Katalogisierung der vielfältigen Verhaltensweisen von Zelle zu Zelle untersuchten die Forscher auch die evolutionären Ursprünge der an diesen Prozessen beteiligten Gene. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass viele der wichtigsten Zelle-in-Zelle-Gene lange vor der Entwicklung der obligaten Mehrzelligkeit entstanden sind.

„Wenn wir uns Gene ansehen, die mit bekannten Zell-in-Zell-Mechanismen bei Arten in Zusammenhang stehen, die vor sehr langer Zeit von der menschlichen Abstammungslinie abgewichen sind, stellt sich heraus, dass die menschlichen Orthologen (Gene, die sich aus einem gemeinsamen Vorfahren-Gen entwickelt haben) typischerweise damit verbunden sind normale Funktionen der Mehrzelligkeit, wie die Immunüberwachung“, sagt Cisneros.

Insgesamt wurden 38 Gene identifiziert, die mit Zell-in-Zell-Phänomenen in Zusammenhang stehen, und 14 davon entstanden vor über 2,2 Milliarden Jahren, also vor dem gemeinsamen Vorfahren einiger fakultativ mehrzelliger Organismen. Dies legt nahe, dass sich die molekulare Maschinerie für den Zellkannibalismus vor den großen Übergängen zur komplexen Mehrzelligkeit entwickelt hat.

Die in der Studie identifizierten alten Zelle-in-Zelle-Gene sind an einer Vielzahl von zellulären Prozessen beteiligt, darunter Zell-Zell-Adhäsion, Phagozytose (Verschleierung), intrazelluläre Abtötung von Krankheitserregern und Regulierung des Energiestoffwechsels. Diese Funktionsvielfalt weist darauf hin, dass Zelle-in-Zelle-Ereignisse wahrscheinlich schon bei einzelligen und einfachen mehrzelligen Organismen eine wichtige Rolle spielten, lange vor der Entstehung komplexen mehrzelligen Lebens.