Imunitní geny – důležité, přesto neprozkoumané

Evoluční symposium organizované Michalem Vinklerem a Helenou Westerdahl z Lund University vytyčilo hlavní koncepty v evoluční imunologii a poodhalilo mezery v současném bádání. Na toto setkání pak pod vedením doc. Vinklera navázala několikaletá revizní a koncepční práce dvou desítek evolučních biologů a imunologů z celého světa, jejímž výstupem je ucelený přehled dosavadních znalostí o evoluci imunitních genů u obratlovců a nastínění dalšího směru, kterým by se měl evoluční výzkum v imunologii v budoucnosti ubírat.

Evoluční imunologie, která vznikla propojením komparativní imunologie s evoluční ekologií je nový a dynamicky se rozvíjející obor. Jejím cílem je porozumět molekulárním adaptacím v imunitních genech, které se u hostitele v evoluci vyvíjí v reakci na interakci s patogeny. Imunologická regulace je při tom především o udržování rovnováhy v imunitě, která hostitele chrání, ale příliš nepoškozuje. Organismus se proto může v některých případech infekcím bránit, zatímco v jiných je tolerovat a pouze potlačovat patogenní projevy. 

Není ale úplně jednoduché definovat co přesně vlastně imunitní geny jsou. Pro označení všech genů spojených s imunitou lze použít pojem imunom. Ten si lze představit jako směsici genů s různě těsnou funkční vazbou na imunitu. Skládá se z jádrového („core“) imunomu, který tvoří především geny zapojené v přímém rozpoznávání patogenů a v reakci na ně. Doposud byly studovány hlavně tyto geny, což vedlo k tomu, že ostatní typy imunitních genů byly zanedbávány. Mezi ně patří geny periferního imunomu, které propojují imunitu s ostatními fyziologickými funkcemi, a takzvané NIRGs (z anglického non-immune resistance genes), které sice obvykle imunitní funkce nemají, ale v některých případech jsou klíčové pro specifické interakce (např. přichycení patogenu k hostitelské buňce).

Na základě variability a dynamiky odpovědi bývají definovány dva typy imunity – adaptivní, která je evolučně mladší, a vrozená, která je starší. Oba systémy jsou však funkčně velmi propojené a liší se spíše v původu svých receptorů. Geny adaptivní imunity jsou funkčně spjaté s imunoglobulinovými receptory, které získávají svou strukturní variabilitu nezávisle v různých typech lymfocytů během života jedince. Naproti tomu geny vrozené imunity jsou funkčně mnohem více konzervované. Tento způsob dělení genů ale neozřejmuje dynamiku evolučních změn, ke kterým dochází na mezidruhové úrovni. Takovýto vhled by mohlo poskytnout rozdělení genů do funkčních skupin podle typu interakcí s jinými molekulami. 

I přes vzájemnou blízkost mohou příbuzné druhy reagovat na stejný patogen velice odlišně. Zdroj: Image by pikisuperstar on Freepik

V evoluční dynamice genů hrají roli také opakované interakce s různými typy patogenů napříč fylogenezí, což může způsobit to, že u nepříbuzných organismů se nezávisle vyvinuly strukturně podobné molekuly. Autoři práce navrhují, že vyšší genetická variabilita by mohla existovat v genech, jejichž proteiny přímo interagují s mikrobiálními molekulami. To by mohlo urychlit koevoluci mezi hostitelem a patogenem. Pokud však proteiny interagují jen s jinými vlastními a obvykle neměnnými molekulami hostitele, bude tlak na evoluci genetické variability nižší. Dalším faktorem může být prostředí proteinových interakcí. Extracelulární proteiny jsou vystaveny mnohem proměnlivějšímu prostředí, a tak zde může být selekce výraznější než u cytosolických proteinů. Také lze očekávat, že soustavně syntetizované konstitutivní proteiny budou mít nižší adaptivní genetickou rozmanitost než obranné proteiny, jejichž tvorba se aktivuje po kontaktu s patogenem. Konečně zásadní význam může hrát specifita vazby, která může ovlivňovat intenzitu selekce.

Imunitní geny je možné studovat v rámci druhu, čemuž se říká mikroevoluční měřítko, nebo napříč druhy, tedy makroevolučně. Studium v rámci druhu je jednodušší díky většímu počtu společných genů, na které se lze zaměřit. I přes vzájemnou blízkost mohou příbuzné druhy reagovat na stejný patogen velice odlišně. Podobný efekt může mít i vnitrodruhová mezipopulační variabilita, což jsme viděli například během epidemie COVID-19. Dlouhodobé studie v rámci druhu pak mohou ukázat, jak se imunitní geny mění v čase, což může být klíčové například v reakci na vlny epidemií různých infekcí. Makroevoluční měřítko pak dokáže odhalit funkční význam imunitních genů u různých druhů. Geny se často mění, ale jednotlivé genové rodiny se obvykle neztrácí.

Evoluce prostřednictvím adaptivních změn formuje imunitní systém, který je v rovnováze s okolním prostředím a nejen patogeny, ale i jinými mikroby v něm. Ačkoliv je tedy pochopení principů evoluce imunitních genů klíčové pro pochopení našeho vztahu k prostředí a schopnosti různých druhů bránit se infekčním onemocněním, evoluce drtivé většiny genů imunity doposud nebyla studována. Jak upozornili autoři této práce, klíčová se v dalším úsilí jeví snaha o integraci odborníků s různým zaměřením a vytvoření konsorcia, které by posunulo interdisciplinární výzkum evoluce imunitních genů kupředu.

Eliška Leštinová

Vinkler, M., Fiddaman, S. R., Těšický, M., O’Connor, E. A., Savage, A. E., Lenz, T. L., Smith, A. L., Kaufman, J., Bolnick, D. I., Davies, C. S., Dedić, N., Flies, A. S., Samblás, M. M. G., Henschen, A. E., Novák, K., Palomar, G., Raven, N., Samaké, K., Slade, J. … Westerdahl, H. (2023). Understanding the evolution of immune genes in jawed vertebrates. Journal of Evolutionary Biology, 36, 847–873. https://doi.org/10.1111/jeb.14181