Portaalsite voor de échte zeeaquariaan

Koraal immunologie

Door  Tim Wijgerde en Martijn Zwiers

Recente onderzoeken tonen aan dat koralen veel eigenschappen vertonen welke lijken op die van hoger ontwikkelde dieren. Op genetisch vlak zijn er veel overeenkomsten met gewervelde dieren zoals zoogdieren en zelfs mensen. Wetenschappers hebben verder ontdekt dat steenkoralen een immuunsysteem hebben; zij stoten lichaamsvreemd weefsel af, fuseren met partners om hun overlevingskansen te vergroten en helpen verwonde koraalpoliepen tijdens hun herstel.

  Hoewel koraalriffen lijken op een waar paradijs, zijn ze in feite oorlogsgebieden. Koralen herkennen elkaar als concurrenten, en bestoken elkaar met giftige stoffen en netelcellen.

Stylophora pistillata als voorbeeld
Wetenschappers beweren al jaren dat koralen niet onderschat moeten worden. Afgelopen jaar publiceerden wetenschappers van het Oceanografisch en Limnologisch Instituut te Haifa, Israël dat de steenkoraalsoort Stylophora pistillata in staat is vreemd van eigen weefsel te onderscheiden. Dit onderzoek werd uitgevoerd als onderdeel van het CORALZOO project, als onderdeel van de kerntaak geslachtelijke voortplanting.

De experimenten werden ex situ uitgevoerd, in aquariumsystemen te Eilat en Haifa. Larven werden ‘s nachts verzameld op het rif, door middel van fijnmazige netten. ‘s Ochtends verwijderden duikers de netten en brachten de losgelaten larven naar laboratoria vlakbij de kust. Deze werden vervolgens geincubeerd op petrischalen, waar ze zich binnen een week vasthechtten aan een polyester film. Het gedrag van de larven, alsmede van de primaire poliepen, ontstaan na metamorfose, werd vastgelegd. Men keek onder andere naar de vorming van fusies tussen primaire poliepen. De leeftijd van de kolonies varieerde tussen de 0 (net na metamorfose van de koraallarven naar primaire poliepen) en 4 maanden. Al na enkele dagen waren de eerste resultaten zoals fuseringen en afstotingen zichtbaar.

  Alles draait om overleving, ook op dit rifplateau in de golf van Akaba, op deze plek gedomineerd door hersenkoralen zoals Favia sp. en Platygyra daedalea. Her en der zijn Stylophora pistillata kolonies te zien, waarvan enkele schade hebben ondervonden van o.a. hun naaste concurrenten. Dit is goed te zien bij de kolonie onderaan in het midden.

Gefuseerde kolonies (lees 2 in 1) werden chimeren genoemd; dit verschijnsel bestaat bij veel dieren. De chimeren bestonden uit 2, 3 of zelfs 6 verschillende kolonies. Chimeren die bestonden uit 4 of meer genetisch verschillende kolonies werden multi-partner entities genoemd. Verder zag men 2 of 3 kolonies die elkaar tegelijk afstootten. Na fusie viel bijna geen onderscheid meer te maken tussen de oorspronkelijke kolonies, hoewel niet alle fusies permanent waren. De afstotingsverschijnselen waren divers; afwezigheid van weefselverbindingen waarbij skeletten elkaar raakten, overgroei van één van de kolonies, bleking, necrose en verder dode kolonies. Aanvankelijk kwamen fusie- en afstotingsverschijnselen even vaak voor, maar naarmate de chimeren uit meer partners bestonden nam dit laatste af. Hoe groter de chimeer, hoe kleiner de kans dat een nieuwe kolonie werd afgestoten.

Met deze resultaten bevestigden de wetenschappers eerdere onderzoeken naar immuniteit bij koralen. Deze dieren hebben duidelijk een subtiele manier gevonden om vreemd van eigen weefsel te onderscheiden; een sterk kenmerk van een immuunsysteem. Verder kan worden geconcludeerd dat deze immuniteit is aangeboren, zoals bij veel dieren het geval is. Dit is zo omdat deze koralen nog niet eerder in contact waren gekomen met vreemd weefsel. In dit geval noemt men deze reacties op vreemd weefsel een allogene reactie; dit betekent dat het koraal reageert op genetisch verschillend weefsel van dezelfde soort. Het tegengestelde is isogeen; genetisch identiek, zoals een transplantatie van een orgaan tussen een één-eiige tweeling, en autogeen; zoals een transplantatie van het eigen weefsel (bijvoorbeeld huid) naar een andere plek op het lichaam.

  Stylophora pistillata kolonies van 0 tot 4 maanden oud, op zeer korte afstand naast elkaar geplaatst, vormden chimeren of stootten elkaar af.
a: enkel genotype, 2 maanden oud.
b: bichimeer; 2 gefuseerde kolonies
c: 2 genotypen welke elkaar afstootten,
d: tri-chimeer, 1,5 maand oud,
e: 3 elkaar afstotende genotypen,
f: samengestelde kolonie van 7 genotypen; een zogenaamde multi-partner entity. Opvallend is dat slechts 1 genotype wordt afgestoten, geheel links. Asterisken geven afstoting aan, stippellijnen geven grenzen tussen oorspronkelijke kolonies aan, pijlen geven de primaire poliepen aan. 
De witte schaalbalken rechts onderaan zijn 1 mm

Zodra planula larven van deze soort zich op het rif vestigen, vindt in feite bovenstaand experiment plaats, maar op een natuurlijke manier. De koralen reageren op elkaars weefsel, en dit zal zowel intra- als interspecifiek plaatsvinden. Uiteindelijk zullen zich zowel solitaire kolonies als chimeren gaan vormen, hoewel het laatste een zeldzamer geval lijkt.
Verder werd gevonden dat de gemiddelde grootte van de afzonderlijke chimeer-leden kleiner was dan die van de solitaire kolonies (hoewel de chimeren in totaal uiteraard wel groter waren). Dit is waarschijnlijk het resultaat van de interacties tussen de kolonies, zoals afstoting. Dit verbruikt veel energie, wat ten koste gaat van de groei. Het feit dat de chimeren groter waren is een indicatie voor verhoogde overlevingskansen. Alhoewel een samenwerking tussen organismen zijn voordelen heeft, zijn er hiernaast ook nadelen. Als er inderdaad kosten zijn zoals groei-inhibitie en zelfs sterfte, waarom vormen koralen dan toch deze chimeren, of “super-kolonies”? Overleven op het rif draait allemaal om het innemen van ruimte, en bij chimeren werd gevonden dat deze sneller groeiden. Een snellere groei betekent het sneller innemen van een niche op het rif. Dit verhoogt vervolgens de overlevingskansen van deze kolonies, omdat zij binnen korte tijd een plek veroverd hebben waar zij licht kunnen opvangen en nutriënten kunnen opnemen. Andere wetenschappers vonden ook recentelijk dat larven van de soort Acropora millepora, een veel voorkomende soort op het Great Barrière Reef, chimeren in het laboratorium kunnen vormen. Tijdens experimenten vestigden 47% van alle A. millepora larven zich in groepen van 2 of meer individuen. Toen de wetenschappers DNA monsters namen van volwassen kolonies op het rif, ontdekten zij dat 3-6% van alle exemplaren in feite chimeren waren! Dit toont aan dat bepaalde koraalchimeren stabiel kunnen overleven.

De ontwikkeling van het immuunsysteem
Tijdens een andere studie vonden wetenschappers dat S. pistillata poliepen hun immuniteit tijdens de eerste vier maanden ontwikkelden. Poliepen jonger dan vier maanden oud fuseerden altijd, ongeacht of zij afkomstig waren van dezelfde moederkolonie. Wanneer deze fusie binnen 2-4 maanden plaatsvond, leidde dit soms tot permanente fusies, maar ook tot afstotingen. Fusies die plaatsvonden tijdens de eerste twee maanden waren permanent. Interessant genoeg stootten poliepen van vier maanden of ouder elkaar altijd af. Deze resultaten geven inzicht in het rijpingsproces van koraalimmuniteit; al zeer snel zijn koralen in staat om vreemd van eigen weefsel te onderscheiden. Wanneer twee genetisch verschillende weefsels met elkaar fuseren voordat het immuunsysteem dit kan detecteren, is dit permanent. Interessant genoeg stootten sommige jonge poliepen elkaar in de eerder besproken studie al wel vroeg af.

  Boven: Een schematische afbeelding van de drie stadia (A, B en C) van de immuniteits-ontwikkeling van Stylophora pistillata. A: Het eerste stadium; weefselcontact net na metamorfose (t=0), tot een leeftijd van twee maanden. Na fusie ontstaat een stabiele chimeer. B: Tweede stadium; weefselcontact 2-4 maanden na metamorfose. Er ontstaat een tijdelijke chimeer; op een leeftijd van vier maanden begint afstoting. C: Derde stadium; weefselcontact na vier maanden leidt altijd tot afstoting van kolonies

Deze resultaten laten zien dat koralen absoluut bijzondere dieren zijn. Regelmatig worden nieuwe manieren gevonden waarop koraalpoliepen samenwerken. Niet alleen kloneren (delen) veel soorten zich waarbij ze grote kolonies vormen, ze fuseren ook met genetisch verschillende individuen om hun overlevingskansen te vergroten. Dit verschijnsel, natuurlijk chimerisme, is ook waargenomen bij veel andere sessiele mariene organismen. Voorbeelden hiervan zijn sponzen, zachte koralen, steenkoralen en zakpijpen.

Lobophyllia corymbosa
Naast Stylophora pistillata, is ook bij andere koraalsoorten immuniteit ontdekt, waaronder bij de steenkoraalsoort Lobophyllia corymbosa. Wetenschappers van de Universiteit van Tel Aviv en de nationale Universiteit van Ierland ontdekten recentelijk dat ook poliepen van L. corymbosa vreemd van eigen weefsel kunnen onderscheiden. Verder zagen zij ook dat deze poliepen nutriënten transporteerden naar verwonde exemplaren binnen de eigen kolonie.

  Boven: Lobophyllia corymbosa, een soort die o.a. in de Rode Zee voorkomt. De poliepen van L. corymbosa snoeren zich volledig af tijdens de groei (Brickner et al, Journal of Experimental Biology, 2006).

De soort L. corymbosa lijkt wat op soorten van het genus Caulastrea; wanneer de kolonie volgroeid is, snoeren de poliepen hun weefsel volledig af waardoor deze solitair worden. De onderzoekers verwijderden 52 poliepen van 14 verschillende kolonies te Eilat, Israël. De poliepen werden of intact gelaten, of in de lengte vanaf boven doorgesneden. Vervolgens werden de poliepen, of helften daarvan, op verschillende manieren aan elkaar verbonden met koperdraad. Dit leverde 3 vormen van transplantatie op; autotransplantaties, isotransplantaties en allotransplantaties. De resultaten werden na 6 weken bekeken, waarbij verschillende aspecten werden genoteerd; weefselfusie, skeletfusie, cytotoxische afstoot, weefselovergroei en de afwezigheid van een reactie. Zij vonden dat geen van alle intacte poliepen een respons vertoonde, zelfs niet wanneer twee intacte poliepen afkomstig van verschillende kolonies (dus genetisch verschillend) aan elkaar gebonden waren. Echter, de transplantaties van de poliephelften lieten iets heel anders zien. Alle auto- en isotransplantaties vertoonden complete fusie van zowel koraalweefsel als skelet, binnen 6 weken! Dit werd bevestigd door histologische coupes van gefuseerde poliepen. Dit zijn poliepen die zijn ingebed in paraffine (een was), zeer dun zijn gesneden en vervolgens zijn gekleurd en bekeken onder een microscoop. Er vond echter nergens fusie plaats tussen de genetisch verschillende allotransplantaties. Er was of geen reactie van de helften, waarbij de wonden zich heelden, of zij stootten elkaar heftig af.

De manier van afstoting is volgens de onderzoekers nog niet duidelijk. Dit is waarschijnlijk een cytotoxische afweer, waarbij beide helften elkaar belagen met giftige stoffen (denk aan steroiden, terpenen en andere organische stoffen). Ook netelcellen kunnen mede verantwoordelijk zijn. Deze resultaten zijn volledig in samenspraak met die van Stylophora. Deze immuniteit is ook gevonden bij Fungia scutaria. Andere wetenschappers voerden experimenten met F. scutaria uit, die lieten zien dat ook zij lichaamsvreemd weefsel afstootten. Twee helften van dit koraal fuseerden slechts wanneer deze van anthocauli afkomstig waren. Een transplantatie van twee genetisch verschillende poliepen leidde altijd tot wederzijdse afstoting.

Het feit dat poliepfusie alleen plaats vindt na weefselschade (zoals bij het halveren van poliepen) is te verklaren doordat de regeneratieve processen in het koraalweefsel worden ingeschakeld. Koralen bezitten namelijk stamcellen, welke actief worden na weefselschade. Wanneer deze delen, ontstaan nieuwe cellen; bindweefsel-, spier-, zenuw- en huidcellen. Uiteindelijk leidt dit tot de opbouw van nieuw weefsel, en de complete fusie van genetisch identiek koraal. Het is intrigerend waarom koralen en andere lagere dieren dit vermogen hebben, terwijl hogere gewervelde dieren dit in veel mindere mate bezitten. Vanuit een evolutionair perspectief lijkt dit onvoordelig te zijn.

Energietransport
De biologen bepaalden ook de mate van energietransport binnen een enkele L. corymbosa kolonie. Hierbij werd gekeken naar het transport van koolhydraten, afkomstig van fotosynthese. Het is bekend dat veel koralen nutriënten transporteren binnen de kolonie, via het gemeenschappelijke weefsel, coenenchym of coenosarc genoemd. Dit komt onder andere voor bij Montastrea en Porites soorten. Om dit te bepalen werd een zeer creatief experiment opgezet; poliepen werden verwijderd en geincubeerd in water met radioactief koolstof (14C), waarbij zij 20 uur per dag werden belicht. Hierdoor bouwden de koralen veel 14C in hun weefsels in, door sterke stimulering van fotosynthese. Hierna werden deze poliepen teruggeplaatst in de eigen kolonie (isogeen koraal), of een genetisch verschillende (allogeen koraal). Van elke kolonie werd één poliep beschadigd (verwonding van 2 cm2). Een aantal poliepen werd ook in plastic gewikkeld om het effect hiervan te bepalen. Het experiment is in de afbeelding hieronder weergegeven:

  Bovenste afbeelding: poliepen van L. corymbosa blazen zich ‘s nachts op, waardoor zij elkaar tijdelijk aanraken. Dit zou misschien de resultaten van het experiment kunnen verklaren. Voedingsstoffen worden mogelijk via slijm, cellen, of beide tussen poliepen getransporteerd. Dit proces verloopt eenvoudiger wanneer de weefsels van de poliepen zich dichter bij elkaar bevinden. Onderste afbeelding: in plastic gewikkelde poliepen lieten geen energietransport naar andere poliepen zien, wat de theorie van de wetenschappers ondersteunt.

  Schematische weergave van het 14C labeling-experiment van L. corymbosa poliepen. 48 uur na de terugplaatsing van de zogenaamde ‘hot polyp’ (radioactieve poliep) werden 4 fragmenten verwijderd (weergegeven door de zwarte cirkels) met een stalen boor. Hiermee werden weefselfragmenten van 1 cm2 elk verwijderd. Één fragment werd genomen van de radioactieve poliep, één van de verwonde poliep, één van een intacte poliep dichtbij de radioactieve poliep, en één hier verder vanaf. De radioactiviteit van de monsters werd gemeten met een vloeistofscintillatieteller.

De onderzoekers vonden dat L. corymbosa poliepen alleen nutriënten (in elk geval koolhydraten) transporteerden naar genetisch identieke, verwonde poliepen. Er werd geen radioactiviteit gevonden bij isogene intacte, of allogene poliepen (zowel intact als verwond). Dit is opmerkelijk, en past heel goed bij de eerder besproken resultaten. Koralen kunnen niet alleen genetisch identieke poliepen herkennen, zij helpen deze ook na verwonding. Voedingsstoffen zoals koolhydraten kunnen namelijk het herstel van verwonde poliepen versnellen. Het is niet verrassend dat poliepen slechts elkaars klonen helpen, omdat zij alleen hier een evolutionair voordeel bij hebben. Een gehele koraalkolonie is genetisch geheel identiek, en alle leden van deze kolonie hebben als doel het verspreiden van hun genen naar volgende generaties. Het helpen van een naburige poliep is dus eigenlijk het helpen van de poliep zelf.

Een volgende vraag was hoe het mogelijk was dat koolhydraten getransporteerd konden worden tussen poliepen. Dit lijkt voor de hand liggend, maar L. corymbosa poliepen zijn niet met elkaar verbonden door weefsel. De poliepen kunnen dus eigenlijk als solitair worden beschouwd, hoewel dit experiment liet zien dat zij zich toch als één kolonie gedroegen. Deze poliepen bepaalden zelfs de richting van het nutriëntentransport. Hoe is dit mogelijk?

De wetenschappers hebben twee mogelijke verklaringen voor dit verschijnsel. De eerste is dat koraalmucus door de polieptentakels wordt verplaatst, in een specifieke richting. De tweede verklaring is dat loslatende cellen van de donorpoliep zich verplaatsen (of worden verplaatst) naar de ontvangende. Een combinatie van deze is uiteraard ook mogelijk. Het is namelijk zo dat deze poliepen zich ’s nachts uitstrekken waardoor zij elkaar raken. Tijdens deze nachtelijke periode zou het transport kunnen plaatsvinden.

Deze theorieën worden bevestigd door het feit dat in plastic gewikkelde poliepen geen energietransport laten zien, ook niet naar verwonde poliepen. Bovenstaande resultaten laten zien dat L. corymbosa poliepen sterk geïntegreerd zijn; zij recyclen energie naar poliepen welke dit nodig hebben, en onderscheiden vreemde van genetisch identieke poliepen. De vraag is waarom sommige koraalsoorten kiezen voor een puur koloniale levensstijl (zoals de genera Acropora, Montipora en Stylophora), waar andere soorten juist solitair blijven (denk aan Trachyphyllia, Lobophyllia en Caulastrea).

Volgens de onderzoekers hebben beide vormen hun voordelen. Kolonievorming is ideaal voor het transport van energie tussen poliepen; L. corymbosa poliepen waren niet in staat energie over een langere afstand te verspreiden, in tegenstelling tot koloniale soorten. Echter, een solitaire vorm biedt weer meer bescherming tegen gevaarlijke infecties zoals door Vibrio bacteriën (denk aan een Montipora die geheel afsterft, wat deels kan worden voorkomen door fragmentatie). Recent is gevonden dat deze schadelijke bacteriën verschillende vormen van ‘white band syndrome’ veroorzaken, wat leidt tot bleking en RTN (soort van bleaching). Een tweede voordeel van een solitaire levensstijl is dat het verspreiden van genetisch materiaal sneller verloopt. L. corymbosa poliepen breken bijvoorbeeld makkelijker af waardoor zij sneller nieuwe plaatsen op het rif kunnen koloniseren. Fungia poliepen bewegen zich langzaam voort, en worden tevens door stroming verspreid. Uiteindelijk draait het in de biologie allemaal om overleving en voortplanting...

  Acropora millepora in het aquarium van Jan-Willem Esselaar, Rotterdam Foto Germain Leys

Ter conclusie
De besproken resultaten laten zien dat koralen een stuk complexer zijn dan eerder werd gedacht. Koralen planten zich voort via jaarlijkse ritmen, zij vertonen natuurlijke immuniteit, hebben efficiënte mechanismen ontwikkeld om soortgenoten te ondersteunen en kunnen complete lichaamsstructuren herstellen na verwonding. Aquaria thuis worden vaak vol geplaatst met vele soorten koraal, op kleine afstand. Wanneer deze koralen elkaar gaan overgroeien en netelen levert dit nogal eens gebleekte en dode koralen op. Als u dit thuis ziet, denkt u dan nog eens aan dit verhaal, en aan de bijzondere processen die zich hierbij afspelen.