Wissenschaftler erklären, wie eine Infektion genetische Vielfalt erzeugen kann

Wie COVID gezeigt hat, passen wir uns an, wenn sich Krankheitserreger durch die Bevölkerung bewegen, indem wir Interaktionen einschränken, sogar isolieren und im Allgemeinen die Art und Weise ändern, wie wir uns miteinander verbinden. Der Mensch ist nicht allein. Neue Forschungsergebnisse von Harvard-Wissenschaftlern geben Aufschluss darüber, wie Krankheitserreger das Sozialverhalten von Tieren verändern.

„Extreme Umweltbedingungen haben einen sehr starken Einfluss auf alle Tiere“, sagt Yun Zhang, Professor am Institut für Organismik und Evolutionsbiologie. Aber während dieses Verhalten bei Tieren von einfachen Fruchtfliegen bis hin zu Primaten beobachtet wurde, haben Forscher nicht verstanden, was im Gehirn eines einzelnen Tieres passiert, das zu infektionsbedingten Veränderungen im Sozialverhalten führt.

In ihrem neuen Artikel, erschienen in Natur, Zhang und Kollegen untersuchten den kleinen Spulwurm C. elegans, der in der Natur in zwei Geschlechtern vorkommt: Hermaphroditen, die sowohl Eier als auch Spermien produzieren, und Männchen. Unter normalen Bedingungen sind Hermaphroditen Einzelgänger, die es vorziehen, sich selbst zu reproduzieren, anstatt sich mit Männern zu paaren. Zhangs Team fand jedoch heraus, dass die zwittrigen Würmer, die mit einem pathogenen Stamm des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa infiziert waren, sich mehr füreinander interessierten und sich häufiger mit Männchen paarten.

„Im Allgemeinen ist es im Vergleich zur Selbstreproduktion wahrscheinlicher, dass die Paarung mit Männern durch Rekombination neue Genome produziert“, fügte Zhang hinzu. „Deshalb stärkt die erregerinduzierte Steigerung der Paarung die Fähigkeit, genetische Vielfalt für die Anpassung der Wirtstiere herzustellen.“

Was treibt diese Veränderung im Paarungsverhalten an? Eine Mischung aus Pheromonen – kleine flüchtige Chemikalien, die von einzelnen Würmern abgegeben werden und auf die andere Würmer reagieren – spielt eine wichtige Rolle.

„Diese Pheromone verteilen normalerweise Hinweise, die die Hermaphroditen dazu bringen, sich gegenseitig abzustoßen“, sagte Tailhong Wu, Postdoktorand im Zhang-Labor und Mit-Erstautor der Arbeit. Aber infizierte Hermaphroditen werden durch die Pheromone weniger abgestoßen. Manchmal fühlen sie sich sogar von ihnen angezogen.

Insbesondere fanden die Forscher heraus, dass ein Paar chemischer Sensorneuronen im Wurm nach der Infektion auf die Pheromone zu reagieren begann und dass diese Neuronen benötigt wurden, damit die Würmer ihr Verhalten ändern konnten.

Als nächstes isolierten die Forscher Boten-RNA aus dem Neuronenpaar und untersuchten, wie sie sich nach der Infektion unterscheiden. Sie entdeckten, dass der Pheromonrezeptor STR-44 bei infizierten Würmern signifikant hochreguliert war. Der STR-44-Rezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR), und seine Expression bewirkt, dass das Neuronenpaar auf die Pheromonmischung reagiert. Das Team testete viele andere Pheromonrezeptoren, die zuvor in Würmern identifiziert wurden, aber keiner schien die durch Krankheitserreger induzierte Änderung des Sozialverhaltens zu beeinflussen, was auf die spezifische Rolle von STR-44 in diesem Prozess hindeutet.

„Normalerweise ist die Expression des STR-44-Pheromonrezeptors in den Würmern sehr gering“, sagte Minghai Ge, ein weiterer Postdoktorand im Zhang-Labor und Co-Erstautor der Arbeit. „Aber die Exposition gegenüber dem bakteriellen Erreger induziert stark die Expression dieses Rezeptors.“ Das Vorhandensein der größeren Menge an STR-44-Pheromonrezeptor unterdrückte die Abstoßung der hermaphroditischen Würmer und erhöhte ihre Paarungsrate mit Männchen.

Mit Blick über Würmer wies Zhang darauf hin, dass viele verschiedene GPCRs für Chemikalien in den Genomen mehrerer Tiere kodiert sind. Sie werden verwendet, um Umweltreize wie Gerüche, Geschmäcker und Pheromone zu bewerten. Die Regulierung von Pheromonrezeptoren könnte eine gängige Strategie für Tiere sein, um ihr Sozialverhalten in Gegenwart eines Krankheitserregers zu ändern, sagte sie.

„Tiere haben viele GPCRs, die Chemikalien wahrnehmen können. Es ist möglich, dass einige von ihnen normalerweise nicht verwendet werden“, sagte Zhang. „Es ist, als würden sie normalerweise in der Bank aufbewahrt, nur um unter Stressbedingungen wie einer Infektion verwendet zu werden.“

Das Team ist der Ansicht, dass die Forschung einen Weg zur Untersuchung von Verhaltensänderungen als Reaktion auf Krankheitserreger und Parasiten bei komplexeren Tieren bietet. „Dieses einfache Modelltier gab uns experimentelle Möglichkeiten, die neuronale und molekulare Grundlage für soziale Verhaltensplastizität zu identifizieren“, sagte Zhang.

Frühere Studien, die nicht aus dem Zhang-Labor stammen, haben bereits die Auswirkungen von Krankheitserregern auf das Paarungsverhalten anderer Wirbelloser und Wirbeltiere identifiziert. „Vielleicht können andere Forscher die Pheromonreaktionen untersuchen, die für das Paarungsverhalten bei diesen Tieren wichtig sind“, schlug sie vor und erklärte möglicherweise, wie eine Infektion das Nervensystem beeinflusst, was zu Verhaltensänderungen führt, einschließlich solcher in sozialen Interaktionen.

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von veröffentlicht Harvard Gazette, die offizielle Zeitung der Harvard University. Weitere Universitätsnachrichten finden Sie unter Harvard.edu.