At få ar eller ej, når man modstår bændelorm:Det er det (evolutionære) spørgsmål

At slæbe rundt på en bændelorm, der er en tredjedel af din kropsvægt, kan være et rigtigt træk. Så trehvirvelpindefisk udviklede resistens over for bændelorm - men resistens har sine egne omkostninger, viser et team af forskere i Science den 8. september.

Da trehvirvelpindefisk forlod havvande for at kolonisere nordlige ferskvandssøer for omkring 12.000 år siden, stødte de på ferskvandsbændelorm. Bændelormene invaderede deres underliv og voksede og nåede enorme størrelser på en fjerdedel til en tredjedel af værtsfiskens kropsvægt. Det ville være som et menneske af gennemsnitlig størrelse, der bærer rundt på en bændelorm på 50 pund. Nogle populationer af sticklebacks udviklede hurtigt et forsvar:Når de støder på en bændelorm, danner deres immunsystem arvæv omkring den og stopper dens vækst. Men andre bestande af pindeback tolererer i stedet ormene og får kun lidt eller slet ikke ar.

Grupper af pindeorm, der gør ar mod bændelorm, og dem, der ikke gør, kan leve ret tæt på hinanden, i søer med kun kilometers afstand. Indtil nu har ingen forstået, hvorfor nogle stickleback-populationer udviklede sig på den ene måde, og nogle på en anden måde.

"Vi ser det her i Alaska, i British Columbia. Kolleger har set det i Skandinavien," siger UConn-biolog Dan Bolnick.

"Det pæne ved coevolution mellem bændelorm og fisk er, at det er en bemærkelsesværdig dynamisk proces, og der er forskellige resultater af denne evolutionære kamp hvert sted, vi kigger," siger Jesse Weber, en biolog ved University of Wisconsin-Madison. Bolnick, Weber og Natalie Steinel, en biolog og associeret direktør for Center for Pathogen Research &Training ved University of Massachusetts-Lowell, arbejdede sammen for at besvare spørgsmålet om stickleback-parasitresistens. Undervejs viste de, at modstand mod parasitter ikke altid er en god ting.

De studerede sticklebacks fra nærliggende søer Roberts og Gosling på Vancouver Island i British Columbia. Begge søer har bændelorm, og begge har kile. De to bestande af kilefisk er ekstremt ens. Den største forskel er, at Roberts fisker aggressivt ar for at forhindre bændelorm i at vokse, og gåslingfisk gør det ikke. Den eneste anden åbenlyse forskel er, at hunner fra Roberts reproducerer sig meget mindre vellykket end hunner fra Gosling, tilsyneladende fordi alt arvævet i deres underliv gør det vanskeligere.

Forskerne ville vide, hvilke gener der var ansvarlige for ardannelsen, og om ardannelsen var årsagen til, at Roberts hunner ikke reproducerede sig så godt. Men hvis de blot sammenlignede genomerne fra Roberts og Gosling fisk direkte, kunne de blive forvirret af andre genetiske forskelle mellem populationerne, der var irrelevante for ardannelse. De var nødt til at blande de to populationer, så den eneste konsekvente forskel mellem to fisk var ardannelsesegenskaben.

For at omrokere det genetiske dæk krydsede forskerne fisk fra Roberts Lake med fisk fra Gosling. Disse Roberts-Gosling-hybrider var alle ens, hvor hver havde halvdelen af ​​deres gener fra hver population. Derefter blev disse hybrider parret sammen for at skabe en anden generation. Anden generation havde mange forskellige kombinationer af gener med individuelle fisk med forskellige egenskaber, der var forskellige fra hinanden, deres hybride forældre og fra Roberts og Gosling bedsteforældregenerationen.

Det var denne anden, genetisk blandede generation, som forskerne derefter udsatte for bændelorm.

Efter at have eksponeret dem i et bestemt antal dage, så holdet på de relative mængder af ardannelse og bændelorm i hver fisk. De analyserede genomerne af fisk med en stor ormebelastning og sammenlignede det med DNA fra fisk med kraftige ardannelser. De indsnævrede forskellene til en håndfuld gener, og så grundigt for at se, hvilke af generne der var meget aktive. Og de fandt, at et af de mest aktive gener var et gen, der også er tæt forbundet med ardannelse hos mus.

Du kan blive overrasket over, at mus får ar på samme måde som fisk. Men ardannelse styres af immunsystemet, som ligner alle hvirveldyr, fra fisk til mus til os.

Forskerne så derefter på det gen i de to oprindelige populationer. I arvemassen fra Gosling-søens sticklebacks - fiskene, der tåler bændelormene uden ar - fandt forskerne ud af, at genet for nylig havde udviklet sig. Der så ud til at være konstant evolutionært pres for at tolerere bændelorm i stedet for at få ar i dem.

"Dette er et af meget få papirer, der er lavet i både naturen og laboratoriet for at vise en stor fitnessomkostning til parasitresistens," siger Bolnick. Men det giver mening. Kvindelige sticklebacks med masser af ardannelse er 80 % mindre tilbøjelige til at yngle med succes. Bændelorm ser ikke ud til at påvirke ynglen, selvom de bremser fisken og gør den mere tilbøjelig til at blive spist af en fugl.

"Når vi hopper rundt og ser på disse systemer, kan vi lære utroligt meget, ikke bare om evolutionsprocessen, men også om nye mekanismer med anvendt værdi for mennesker og husdyr. Mekanismer som hvordan dit immunsystem genkender en parasit, hvordan du modstå en parasit, og hvordan du slår et uønsket immunrespons fra," siger Weber.

"Dette arbejde er vigtigt, da det fremhæver den immunologiske variabilitet (og derfor evnen til at modstå infektioner), der eksisterer i og mellem befolkninger, hvordan det opstår, og hvordan det kan påvirke sundhedsresultater," sagde UMass Lowells Natalie Steinel. "I denne artikel behandler vi spørgsmål om immun/patogen co-evolution ved hjælp af fisk, men disse principper er bredt anvendelige til andre dyresystemer, herunder menneskelige infektioner. For at kunne håndtere infektionssygdomme med succes skal vi forstå balancen mellem omkostninger og fordele, som resultater fra et immunrespons." + Udforsk yderligere

Undersøg detaljer om, hvordan nogle fisk klarer parasitter, med konsekvenser for menneskers sundhed