Das ist die (evolutionäre) Frage

Einen Bandwurm mit einem Drittel Ihres Körpergewichts herumzuschleppen, kann eine echte Belastung sein. Dreistachlige Stichlinge entwickelten also eine Resistenz gegen Bandwürmer – aber die Resistenz hat ihre eigenen Kosten, wie ein Forscherteam zeigt Wissenschaft am 8.9.

Als dreistachlige Stichlinge vor etwa 12.000 Jahren die Meeresgewässer verließen, um nördliche Süßwasserseen zu besiedeln, trafen sie auf Süßwasserbandwürmer. Die Bandwürmer drangen in ihren Bauch ein und wuchsen und erreichten enorme Größen von einem Viertel bis einem Drittel des Körpergewichts des Wirtsfisches. Es wäre wie ein durchschnittlich großer Mensch, der einen 50-Pfund-Bandwurm herumträgt. Einige Populationen von Stichlingen haben schnell eine Abwehr entwickelt: Wenn sie auf einen Bandwurm treffen, bildet ihr Immunsystem Narbengewebe um ihn herum und stoppt sein Wachstum. Aber auch andere Stichlingspopulationen vertragen die Würmer und vernarben nur wenig oder gar nicht.

Gruppen von Stichlingen, die gegen Bandwürmer vernarben, und solche, die das nicht können, können ziemlich nahe beieinander leben, in Seen, die nur wenige Kilometer voneinander entfernt sind. Bis jetzt hat niemand verstanden, warum sich einige Stichlingspopulationen in die eine Richtung entwickelt haben und andere in die andere.

„Wir sehen das in Alaska, in British Columbia. Kollegen haben es in Skandinavien gesehen“, sagt UConn-Biologe Dan Bolnick.

„Das Tolle an der Koevolution zwischen Bandwürmern und Fischen ist, dass es sich um einen bemerkenswert dynamischen Prozess handelt, und dieser evolutionäre Kampf an jedem Ort, an den wir schauen, zu unterschiedlichen Ergebnissen führt“, sagt Jesse Weber, Biologe an der University of Wisconsin-Madison. Bolnick, Weber und Natalie Steinel, eine Biologin und stellvertretende Direktorin des Zentrums für Pathogenforschung und -ausbildung an der Universität von Massachusetts-Lowell, arbeiteten zusammen, um die Frage der Resistenz gegen Stichlingparasiten zu beantworten. Ganz nebenbei zeigten sie, dass Resistenz gegen Parasiten nicht immer gut ist.

Sie untersuchten Stichlinge aus den nahe gelegenen Seen Roberts und Gosling auf Vancouver Island in British Columbia. Beide Seen haben Bandwürmer und beide haben Stichlinge. Die beiden Stichlingspopulationen sind sich sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Roberts-Fische aggressiv Narben bilden, um das Wachstum von Bandwürmern zu verhindern, und Gosling-Fische dies nicht tun. Der einzige andere offensichtliche Unterschied besteht darin, dass sich die Weibchen von Roberts viel weniger erfolgreich fortpflanzen als die Weibchen von Gosling, anscheinend, weil all das Narbengewebe in ihrem Bauch es schwieriger macht.

Die Forscher wollten wissen, welche Gene für die Narbenbildung verantwortlich sind und ob die Narbenbildung der Grund dafür war, dass sich Roberts-Weibchen nicht so gut reproduzierten. Aber wenn sie einfach die Genome von Roberts- und Gosling-Fischen direkt verglichen, könnten sie durch andere genetische Unterschiede zwischen den Populationen verwirrt werden, die für die Narbenbildung irrelevant sind. Sie mussten die beiden Populationen so mischen, dass der einzige konsistente Unterschied zwischen zwei Fischen das Narbenmerkmal war.

Um das genetische Deck neu zu mischen, kreuzten die Forscher Fische aus Roberts Lake mit Fischen aus Gosling. Diese Roberts-Gosling-Hybriden waren alle ähnlich, wobei jeder die Hälfte seiner Gene aus jeder Population hatte. Dann wurden diese Hybriden miteinander verpaart, um eine zweite Generation zu schaffen. Die zweite Generation hatte viele verschiedene Kombinationen von Genen, wobei einzelne Fische unterschiedliche Merkmale aufwiesen, die sich voneinander, ihren Hybrideltern und der Großelterngeneration von Roberts und Gosling unterschieden.

Es war diese zweite, genetisch veränderte Generation, die die Forscher dann Bandwürmern aussetzten.

Nachdem sie sie eine bestimmte Anzahl von Tagen ausgesetzt hatten, untersuchte das Team die relativen Mengen an Narben und Bandwürmern in jedem Fisch. Sie analysierten die Genome von Fischen mit starker Wurmbelastung und verglichen sie mit der DNA von Fischen mit starker Narbenbildung. Sie grenzten die Unterschiede auf eine Handvoll Gene ein und schauten dann genau hin, um zu sehen, welches der Gene sehr aktiv war. Und sie fanden heraus, dass eines der aktivsten Gene ein Gen war, das auch eng mit der Narbenbildung bei Mäusen verbunden ist.

Sie werden vielleicht überrascht sein, dass Mäuse auf die gleiche Weise Narben hinterlassen wie Fische. Aber die Narbenbildung wird vom Immunsystem kontrolliert, das bei allen Wirbeltieren ähnlich ist, von Fischen über Mäuse bis hin zu uns.

Die Forscher untersuchten dann dieses Gen in den beiden ursprünglichen Populationen. Im Genom der Stichlinge des Gosling-Sees – der Fische, die die Bandwürmer ohne Narbenbildung vertragen – fanden die Forscher heraus, dass sich das Gen kürzlich entwickelt hatte. Es schien einen ständigen evolutionären Druck zu geben, Bandwürmer zu tolerieren, anstatt sie zu vernarben.

„Dies ist eine von sehr wenigen Arbeiten, die sowohl in freier Wildbahn als auch im Labor durchgeführt wurden, um die großen Fitnesskosten für die Parasitenresistenz aufzuzeigen“, sagt Bolnick. Aber es macht Sinn. Weibliche Stichlinge mit vielen Narben haben eine um 80 % geringere Wahrscheinlichkeit, erfolgreich zu züchten. Bandwürmer scheinen die Fortpflanzung nicht zu beeinträchtigen, obwohl sie den Fisch verlangsamen und es wahrscheinlicher machen, dass er von einem Vogel gefressen wird.

„Wenn wir herumspringen und uns diese Systeme ansehen, können wir eine Menge lernen, nicht nur über den Evolutionsprozess, sondern auch über neue Mechanismen mit praktischem Nutzen für Menschen und Nutztiere. Mechanismen wie, wie Ihr Immunsystem einen Parasiten erkennt, wie Sie einem Parasiten widerstehen und wie man eine unerwünschte Immunantwort ausschaltet“, sagt Weber.

„Diese Arbeit ist wichtig, da sie die immunologische Variabilität (und damit die Fähigkeit, Infektionen zu widerstehen) hervorhebt, die innerhalb und zwischen Populationen besteht, wie sie zustande kommt und wie sie die Gesundheitsergebnisse beeinflussen kann“, sagte Natalie Steinel von UMass Lowell. „In diesem Artikel befassen wir uns mit Fragen der Koevolution von Immun- und Krankheitserregern unter Verwendung von Fischen, aber diese Prinzipien sind weitgehend auf andere tierische Systeme anwendbar, einschließlich menschlicher Infektionen. Um Infektionskrankheiten erfolgreich zu bewältigen, müssen wir das Kosten-Nutzen-Verhältnis verstehen resultiert aus einer Immunantwort.“