Imunoekologie parazito-hostitelských
vztahů
Imunoekologie
► Spojení imunity a evoluční ekologie
► Zkoumání variability v imunitní odpovědi mezi jedinci,
populacemi a druhy
► Studium procesů, které vysvětlují tuto variabilitu a její
udržování
► Hledání kompromisů, pokud je imunita považována za
nákladní složku životních historii (princip alokace energie –
náklady versus užitek)
► Evoluční adaptace imunity
Imunita u obratlovců
► Nespecifická (neadaptivní, vrozená)
- dendritické buňky, makrofágy
Specifická (adaptivní, získaná)
buněčná a humorální odpověď
intracelulární paraziti, extracelulární paraziti
Imunokompetence
► Obecná schopnost jedince navodit efektivní imunitní odpověď
s cílem minimalizovat ztráty způsobené infekci
► Jak měřit imunokompetenci?
► 1. Míra parazitární infekce
Vysoká míra parazitární zátěže
=> nízká imunokompetence
► 2. Nabuzení infekce
Rezistence k infekci => dobrá imunokompetence
Rezistence nebo vnímavost
► 3. Serologie
Vysoký počet bílých krvinek
=> dobrá imunokompetence
Imunokompetence
► Jak měřit imunokompetenci?
4. Hmotnost imunitních orgánů (slezina, brzlík)
5. Injekční aplikace mitogenů
►Proliferace lymfocytů (T nebo B)
6. Injekční aplikace antigenů
►Produkce protilátek
7. Genetické data
►MHC geny
Imunologické přístupy aplikované v terénních
studiích
Imunita jako složka životních historií hostitelů
► funkce imunitního systému jako důležité komponenty
životní historie
► organismus vkládá určité investice do imunitní funkce
zodpovědné za rezistenci vůči patogenům a parazitům
► Jestliže je evoluce imunitního systému řízená parazity, pak
lze předpokládat pozitivní korelaci mezi parazitární zátěží a
efektivností imunitního systému
Náklady spojené s imunitní odpovědi u
obratlovců
Investice do reprodukce versus investice do
imunity
► investice samic a samců do reprodukce se liší
► samice investují více do produkce oocytů, samci investují
více do tvorby sekundárních pohlavních znaků
► Princip kompromisů v rozdělení energie mezi reprodukci a
imunitu
► investice do vývoje gonád a investice do průběhu samotné
reprodukce energeticky náročné => snížení investic
organismu do jeho imunitní obranyschopnosti
► energie věnovaná do reprodukce => zvýšená produkce
pohlavních hormonů na úkor snížení imunitní funkce
hypotéza handikapu imunokompetence
► hypotéza ochrany spermií (Folstad a Skarstein 1997)
imunosupresivní efekt testosteronu vede k ochraně spermií
- spermie jako nevlastní buňky jsou antigenní a proto jsou
ohroženy autoimunitním systémem
- lepší samci (= lépe tolerující náklady spojené s
negativním účinkem testosteronu) mají vytvořené
výraznější sekundární pohlavní znaky a spermie lepší
kvality
Investice do reprodukce versus investice do
imunity
Sex a imunita
Buněčná odpověď
Humorální odpověď
Zánět
Samci < Samice
Auto-imunitní onemocnění Samci < Samice
Riziko infekce Samci > samice
Proximální příčiny Rozdíly v produkci testosteronu = imunosuprese
reprodukční úspěch samců
chování (agresivní, disperze)
Rozdíly v produkci estrogenu = zvyšování exprese MHC genů
► Př. Mezidruhová studie u ptáků
► 1. samci s většími gonádami investují více do produkce pohlavních
hormonů, která je v kompromisu s imunitní funkcí, evoluce velikosti
testes může být výsledkem pohlavního výběru
► 2. ptáci ovlivněni vyšším tlakem ze strany parazitů, investují více do
imunokompetence
Investice do reprodukce versus investice do
imunity – interspecifická studie
Investice do reprodukce versus investice do
imunity – intraspecifické studie
► Př. Cíl: analýza kompromisů mezi investicemi do imunity a reprodukce
=> kompromis mezi rezistencí k parazitům a vývojem primárních pohlavních
znaků
►siven severní
►(Salvelinus alpinus)
Reprodukce versus imunita
Vztah reprodukce a specifické imunity
1. Zvyšování investic do reprodukce
(experimentální manipulace) snižuje
humorální imunitu
2. Zvyšování reprodukčního úsilí zvyšuje intenzitu
infekce Haemoproteus – spojené s vyšší
mortalitou
Ficedula albicollis
(Nordling et al. 1998)
Samice imunizované virem NDV (Newcastle disease virus)
Úspěšnost mláďat a imunokompetence
Parus caerulus
(Cichon & Dubiec 2005)
Imunitní odpověď nehraje roli v případě
nevýhodných chovných podmínek
Lokální přijetí je závislé na imunitě,
ale taky na environmentálních faktorech
Experimentální manipulace se zvyšováním potomků v hnízdech
T buňkami zprostředkovaná imunita – odpověď k PHA
→ negativní vztah
Pozitivní vztah mezi imunitou a úspěchem mláďat →
Predikovaná pravděpodobnost přijetí mláďat do populace
Velikost mláďat a aktivace humorální imunity
Aktivace imunitního systému snižuje
reprodukční úspěch (počet a velikost
mláďat)
Ficedula hypoleuca
(Ilmonen et al. 2000)
Samice imunizované nepatogenním antigenem (diphtheria-tetanus vakcina)
Test aktivace imunitní odpovědi na investici do reprodukce
(Nunn et al. 2000)
Bíle krvinky a sexuální promiskuita u primátů
Promiskuita páření:
délka březosti a velikost
testes
Vztah mezi počtem bílých
krvinek a počtem sexuálních
partnerů => potenciální vztah k
sexuálně přenosným nemocem
Vícenásobní infekce helmintama a základní
investice do imunity
Zvyšování počtu druhů helmintů
pozitivně koreluje se zvyšováním
základní investice do imunity u savců
Bordes & Morand, 2009, Par Res
Potravní zdroje a immunokompetence
Graines only
Food suplies
Taeniopygia guttata
(Birkhead et al. 1999)
Zvyšování kvality potravy
urychluje růst a posiluje
imunokompetenci (buněčnou
odpověď)
Efekt potravy mláďat – krmené jenom semeny vs. krmené
semeny plus doplňková strava na růst a T buněčnou imunitu
(reakce na mitogen)
Sociabilita a imunokompetence
Larvy
společenské
solitérní
(Wilson et al. 2002)
Schistocerca gregaria
Přežívaní společenských cvrčků je vyšší než u solitérních
zvyšování denzity přes fenotypické změny spojené s lepší imunitou
Stresor = událost, která narušuje homeostázu, zvyšování využití energie
stres
hypotalamus  hypofýza nadledviny
kortikoidy
Adaptivní odpověď
Suprese nákladních funkcí
(imunita)
Mobilizace energie pro
orgány, které ji potřebují
Vliv stresu na imunitu
Sexuální kompetice a sociální stres
Spermophilus parryii
(Boonstra et al. 2001)
Nabuzení imunity
Slabá imunitní odpověď u
reprodukujících se adultů
Chronický stres u reprodukujících se adultů –
vysoká koncentrace kortizolu, nízká schopnost
kapacity vázat kortikosteroidy, nízká rezistence
k dexamethosonu, nízký hematokrit, nízký
počet bílých krvinek, nízká schopnost reagovat
na nabuzení imunity
Testována hypotéza adaptivní odpovědi na stres v období reprodukce
Reakce na adrenokortikotropný hormon
Injekce dexamethosone – steroidní imunosupresor
Hormonální nabuzení
(Kraaijeveld & Godfray, 1997)
Selection
No selection
Selekce linií Drosophila
melanogaster rezistentních k
parazitoidům (enkapsulace)
vede ke snižování kompetiční
schopnosti
Imunitní odpověď a kompetice
ns
Holuby byly injikovány suspenzi ovčích
červených krvinek (SRBC) nebo
injikovány fyziologickým roztokem
(kontrola)
Efekt imunitní aktivace na relativní
míru bazálního metabolizmu u holubů
Jedinci se silní imunitní odpovědi ve
vztahu s kontrolou, která vykazovala
nízkou imunitní odpověď
(Eraud et al. 2005)
Imunitní odpověď a metabolizmus
Náklady spojené s imunitní odpovědí
Zvyšování aktivity (př. létaní, reprodukce…) snižuje
imunitní odpověď=> kompromis v alokaci energie a zdrojů
Imunita a úspěšná invaze
Moller and Cassey, 2004
T buňkami zprostředkovaná imunitní
odpověď mláďat (měřená jako
odpověď na mitogenický lektin
PHA) určuje úspěch založení
populace
Komplement mláďat ptáků se zvyšuje
expanzi introdukované populace
nebo s kolonizací kontinentů
Náklady spojené s imunitní odpovědi
Náklady spojené s imunitní odpovědi
Evoluce imunitních genů
► Geny hlavního histokompatibilního systému (MHC)
► Evoluce genů MHC a selektivních faktorů
► zachytávají peptidy a fragmenty vzniklé odbouráváním
antigenů a zanořují je do povrchu buňky => buňka
nabízející antigen, jehož fragmenty jsou rozeznávány
receptorem T - lymfocytů pro antigen
► PBR místa („peptid binding regions“) vazebná místa MHC
glykoproteinů
Glykoproteiny MHC I a MHC II
► MHC glykoproteiny třídy I - přítomny na všech jaderných
buňkách organismu
- zajišťují prezentaci intracelulárně derivovaných peptidů
vzniklých odbouráváním proteinů pocházejících z virů a
některých druhů baktérií
► MHC glykoproteiny třídy II - vyskytují se na antigen
prezentujících buňkách - B lymfocyty, monocyty, makrofágy
a dendritické buňky
- prezentují peptidové fragmenty derivované
z extracelulárních parazitů např. některé druhy baktérií
nebo mnohobuněčných organismů
Polymorfizmus MHC
► nalezeny u všech čelistnatých obratlovců od paryb po savce
► vysoce polymorfní geny
► vysokým počet alel, které poskytují funkční lokusy
► vysoký počet nukleotidových substitucí mezi jednotlivými
alelami
► trans-species polymorphism
Selekce směrující k vysokému polymorfizmu
MHC genů
► Dva mechanizmy vzájemně se nevylučující:
► 1. parazity zprostředkovaná selekce
► 2. sexuální selekce
► Parazity zprostředkovaná selekce
► Koevoluční proces parazit-hostitel
1. výhoda vzácných MHC genotypů (tzv. teorie výhody
vzácné alely)
2. výhoda MHC heterozygotů (tzv. teorie výhody
heterozygota)
Teorie výhody heterozygota
► teorie superdominance
► heterozygot má vyšší schopnost rozlišit široké spektrum
antigenních peptidů derivovaných z parazitů nebo
patogenů nežli homozygot
► vyšší rezistenci heterozygota vůči parazitům ve srovnání
s homozygotem
► Př. - samice lososa obecného si vybírají samce ve smyslu
zvyšování MHC heterozygotnosti svých potomků
- vztah mezi MHC IIB heterozygotností a inkfekcí
gyrodactyly u Poeciliopsis occidentalis
- výhoda MHC heterozygotů v infekci kmeny Salmonella u
myší
Teorie výhody vzácné alely
► na frekvenci závislá selekce
► Předpoklad: na přítomnost nového parazita odpovídají lépe
jedinci hostitele se vzácnou alelou
► Zvýšení frekvence vzácné alely v hostitelské populaci
směřuje k tomu, že se alela stává terčem parazitické
adaptace
► Př. vztah mezi specifickou alelou systému MHC IIβ a
parazitizmem u lososovitých ryb
Střední počet alel výhodný pro jedince
► Nowak et al. 1992 – matematický model
► Vysoká diverzita MHC alel u jedince není výhodní
- rozlišení široké škály antigenních peptidů
- eliminace vlastních T buněk
optimální počet MHC alel určuje nejkvalitnější imunitní odpověď
Př. Střední počet jako optimum MHC alel a nejnižší parazitace na úrovni
jedince u koljušky tříostní
Role sexuální selekce ve zvyšování MHC
polymorfizmu
► vztah mezi MHC genotypem a výběrem partnera
► Geny MHC = geny rezistence selektovány jako dobré nebo kompatibilní
geny
► Hypotéza dobrých genů
► samci velice zdatní s geneticky danými predispozicemi pro vysokou
rezistenci vůči parazitům si mohou dovolit výraznou sexuální
ornamentaci
► samice směřuje výběr svého partnera ve smyslu výběru dobrých genů
pro potomstvo
► vztah mezi MHC genotypem a kondicí nebo určitém charakteru na
kondici závislém
► např. intenzita k parazitární zátěži, sekundární pohlavní znaky
(zbarvení těla u ptáků, třecí výražky u ryb apod.)
► Hypotéza genetické kompatibility (komplementarity)
► MHC funguje jako geneticky nekompatibilní systém – zabraňuje
příbuzenskému křížení
► Jedinci s podobným MHC genotypem = jedinci příbuzní
► samice směřuje výběr partnera v závislosti na vlastním MHC genotypu,
tj. vybírá si samce s odlišným MHC genotypem = komplementárním
k jejímu genotypu  vyšší variabilita MHC pro potomstvo
Role sexuální selekce ve zvyšování MHC
polymorfizmu
Výběr dobrých MHC genů Výběr komplementárních MHC genů
Koljuška tříostní
Role sexuální selekce
ve zvyšování MHC polymorfizmu
► Jak může samice rozeznat odlišný nebo komplementární
genotyp?
► výběr partnera je založen na čichových vjemech
► Studie u člověka, myší, dokumentováno taky u ryb
Pohlavní výběr a MHC
► Dvě úrovně sexuální selekce ve vztahu k MHC
► na úrovni jedinců - určití samci s lepšími kondici vázanými
znaky
► na úrovní gamet - spermie určitého jedince jsou
selektovány oocyty samic více než spermie jiného jedince
př. siven severní - spermie MHC heterozygotů mají vyšší
úspěch při fertilizaci
MHC a extinkce druhů
Arabian oryx
Oryx leucoryx
Program
ochrany
= udržat všechny
3 varianty
Desert bighorn
sheep
MHC a extinkce druhů