Evoluční a ekologická imunologie
parazito-hostitelských vztahů
Obecná parazitologie přednáška 5
Jde o fitness – počet potomků v dalších generacích
Reprodukční rychlost (R0)
O co parazitům jde?
Množení uvnitř hostitele
O co parazitům jde?
Zvětšování infrapopulace
Infekce nových hostitelů
O co parazitům jde?
Reprodukční rychlost (Rp)
= průměrný počet nově nakažených jedinců hostitelského
druhu, které infikuje každý již nakažený jedinec
Rp=NβfL
N - populační hustota potenciálně nakazitelných jedinců
hostitelské populace
β - rychlost přenosu
f - podíl jedinců, kteří přežijí dost dlouho, aby se stali infekčními
L - průměrná doba, po kterou je jeden nakažený jedinec
infekčním
Rp≥1 – populace parazita přežije
Rp<1 – infekce vyhasne
Ekologie parazitárních nákaz
Rp ≠ škodlivost parazita
- asymptomatické infekce
Patogenita
- schopnost snižovat zdraví hostitele (vyvolat příznaky
nemoci)
Virulence
- schopnost infikovat hostitele
- stupeň patogenních projevů infekce
- rychlost zmnožování parazitů uvnitř hostitele
- schopnost snižovat fitness hostitele (v evoluční ekologii)
Ekologie parazitárních nákaz
Patogenita ≠ Virulence
Kastrátor - likvidace pohlavních orgánů snižuje fitness hostitele
na nulu, ale ne vitalitu
Maximalizace Rp
= optimalizace rychlosti množení, patogenity a virulence
Patogenita vs. virulence
Encheliophis (Carapidae)Sacculina carcini
sumýši
(Holothuroidea)
Rp = β/(α+μ+ν)
β - rychlost šíření infekce
α - virulence / rychlost mortality hostitele v důsledku infekce
μ - mortalita neinfikovaného hostitele
ν - rychlost vyléčení z infekce
Virulence
Kompromis virulence = neuškodit x vyčerpat
Životní strategie parazita = způsob maximalizace fitness v
daném ekologickém kontextu
?
Příčiny rozdílů ve virulenci dané parazity
 Pravděpodobnost superinfekcí / mutací
- relativní výhoda virulentní mutanty
- nepohlavní rozmnožování pro udržování dlouhodobého
optima
Ekologie parazitárních nákaz
Ptačí reovirus
Ni a Kemp 1992
Příčiny rozdílů ve virulenci dané parazity
 Způsob přenosu parazita
- vertikální cestou (přes pohlavní buňky - evoluční rozpuštění) ↓
- horizontálně přímým kontaktem ↓
- pomocí vektorů, rezervoárových hostitelů ↑
(u vektora jsou patogenní projevy obvykle slabší)
- aktivní pohyb mezi jedinci hostitele ↑
- alimentární přenos – mezihostitel ↑ x definitivní hostitel ↓
- dlouhověká stádia (cysty, spory atp.) ↑
Ekologie parazitárních nákaz
Proč potřebujeme virulenci pochopit? abychom s patogeny
uměli zacházet
- klíč k pochopení patogenity
- nastavení podmínek pro evoluci nižší virulence a patogenity
(fenomén nemocničních bacilů)
- prognózy vývoje nově se objevujících chorob (bude v dané
populaci klesat či stoupat virulence ptačí či prasečí chřipky, viru Ebola
nebo SARS?)
Co nám prozatím chybí?
Rp = β/(α+μ+ν)
β - rychlost šíření infekce
Vliv hostitele na parazita
Ekologie parazitárních nákaz
α - rychlost mortality hostitele v důsledku infekce
μ - mortalita neinfikovaného hostitele
ν - rychlost vyléčení z infekce
Co může hostitel udělat, aby zmírnil
virulenci parazita?
Hostitel může ve své evoluci přizpůsobit
- populační strukturu (genetická diversita, hustota, věková
struktura) ekologie, chování
Daphnia magna
Mikrosporidie Octosporea bayeri
Altermatt and Ebert 2008
Co může hostitel udělat, aby zmírnil
virulenci parazita?
Metaanalýza 19 savčích druhů
Hlístice řádu Strongylida
Hostitel může ve své evoluci přizpůsobit
- populační strukturu (genetická diversita, hustota, věková
struktura) ekologie, chování
Co může hostitel udělat, aby zmírnil
virulenci parazita?
 Hostitel může ve své evoluci přizpůsobit ekologii a chování
- sníží rychlost přenosu infekce
Plasmodium
van Riper et al. 1986
Imunitní systém živočichů
 Antigenně nespecifické = vrozené mechanismy
 Antigenně specifické = získané = adaptivní mechanismy
 Fyzické bariery
 Behaviorální mechanismy
Přirozená obrana
► Obrana před infekcí x obrana po infekci
Přirozená obrana – obrana před infekcí
► Předejít výběru prostoru s rizikem nákazy
► Předejít výběru času s rizikem parazitace
► Vyhýbat se určité potravě (vysoce kvalitní potrava může
být parazitována)
► Výběr neparazitovaného partnera
► Vytváření skupin (preventivní up-regulace imunity)
► Kamufláž (změna barvy hostitele)
► Self-medikace
► Hygiena
Přirozená obrana – obrana po infekci
Behaviorální změny
► Změní místo, změní aktivitu
► Redukce příjmu potravy
► Self-medikace
► Behaviorální horečka
► Grooming, allogrooming
► Čistění jiným druhem
► Změna životní strategie – rychlá reprodukce před kastraci
Fyziologické změny
► Horečka (u endotermů)
► Aktivace imunitního systému
Přirozená obrana – obrana před infekci
 Vyhýbání se infekci
- Myš
- Heligmosomoides polygyrus (Nematoda)
- olfaktorická detekce
Kavaliers et al. 2006
 Čištění
- Self-grooming
- ptáci stráví průměrně 10% dne čištěním
- přizpůsobení aktivity intenzitě ektoparazitace
- Grooming (allopreening)
- heterospecifické čištění
Přirozená obrana – obrana po infekci
 Přírodní léčiva
– Člověk, 60 tis. let
H. s. neanderthalensis
– Mravenci (např. Formica paralugubris)
pryskyřice jehličnanů – bakteriostatické a fungistatické –
kolektivní medikace
Christe et al. 2003
Přirozená obrana – obrana před nebo po
infekci
Fyzické bariery
Ohraničení organismu v prostoru
– Struktura povrchu (srst, peří, šupiny, skořápka vejce)
– Placenta jako bariera
Preventivní ochrana povrchu
– Kůže, sliznice
• preventivní sekrece antimikrobiálních molekul
(maz, olej uropygiální žlázy, slzy, IgA)
– Bílek vejce, kolostrum
• mateřské protilátky, antimikrobiální peptidy
Humorální obrana
► Humorální (založená na rozpustných komponentech v
tělních tekutinách) a buněčná obrana
► Humorální odpověď
► imunoglobuliny (IgG, IgM, IgA, IgE a IgD) – připojení na
antigeny
► Komplementový systém – sérové enzymy – různé cesty
aktivace nebo přímá lyze nebo fagocytóza
Buněčná
obrana
► Různé imunitní
buňky
► Vývoj buněk
imunitního
systému
(haematopoeze)
► Fagocytóza – bezobratlí a
obratlovci
► Pouze bezobratlí:
► Kaskáda melanizaceenkapsulace
(členovci)
► Tvorba nodulů
► Pouze obratlovci:
► Srážení krve
► Zánět
Buněčná obrana
Vrozená versus adaptivní imunita
► Limitován počet receptorů pro rozeznání parazita
► Aktivní velmi brzy po infekci (několik minut) = první a
obecná obrana vůči infekci
► Důležitá v orgánech fyzické bariery – položka nebo sliznice
► Přispívá k aktivaci adaptivní imunity
► Získává informaci o infekci a adaptuje odpověď na určitý
druh parazita – je specifická
► Je zpožděná (několik dnů)
► Není možná bez předešlé vrozené imunity
► Závisí na lymfatických orgánech (lymfocyty)
Ekologická imunologie
Faktory ovlivňující funkci imunitního systému
 Kondice
 Stáří
 Metabolismus
 Pohybová aktivita
 Potrava
 Stres
 Rodičovské investice
 Populační struktura
 Parazitizmus
 Biorytmy (cirkadiánní, cirkanuální)
 Počasí (srážky, teplota)
 Kontaminace prostředí
Proč mají tyto faktory vliv?
Imunita je nákladní
► princip alokace energie – náklady versus zisky
► Energetické kompromisy (investice do růstu, udržování,
přežívání, reprodukce a imunity)
Náklady spojené s imunitní odpovědi
► Fyziologické náklady aktivace imunitní odpovědi
Bombus terrestris
(Moret & Schmid-Hempel, 2000)
Imunita versus přežívání
Aktivace imunity snižuje výstup reprodukce
Aktivace imunitního systému snižuje
reprodukční úspěch (počet a velikost
mláďat)
Ficedula hypoleuca
(Ilmonen et al. 2000)
Samice imunizované nepatogenním antigenem (diphtheria-tetanus
vakcína)
Test aktivace imunitní odpovědi na investici do reprodukce
Zvyšování investic do reprodukce oslabuje
imunitu a zvyšuje riziko parazitace
1. Zvyšování investic do reprodukce
snižuje humorální imunitu
2. Zvyšování reprodukčního úsilí zvyšuje
intenzitu infekce Haemoproteus
(Apicomplexa) – spojené s vyšší
mortalitou
Ficedula albicollis
(Nordling et al. 1998)
Samice imunizované virem NDV (Newcastle disease virus)
Energetický kompromis mezi různými složkami
imunity
 kompromis mezi imunitou a autoimunitou
- T regulační buňky - kompromis: udržení imunitní
homeostázy vs. kontrola vývoje autoimunitního
onemocnění
Vrabec domácí (Passer domesticus)
- stimulace buněčné imunity
a humorální imunity
- negativní korelace
Buchanan et al. 2003
Evoluční imunologie
Parazit má rychlejší evoluci než hostitel
 první na tahu
 neřeší evoluční přizpůsobení proměnlivému okolí
 živiny zajišťuje hostitel – vše do reprodukce (tasemnice
až 720 000 vajíček denně)
 přežije jen malá část potomstva – silná selekce
 kratší generační doba než u hostitele
 „večeře nebo život“
 systematický tlak – každý úspěšný parazit se střetl s
hostitelem
Přesto hostitel pořád existuje
 limitovaná schopnost parazita infikovat populaci
►silně patogenní monoxenní parazit nemůže vyhubit
hostitele aniž by sám vymřel
 nadbytek imunitních mechanismů
 somatická variabilita imunoreceptorů
 imunologická paměť
 pohlavní rozmnožování
 pohlavní výběr
Modely koevoluce hostitel-parazit
Gene-for-gene – nekompatibilní
interakce
 Genotyp parazita s alelou virulence
infikuje hostitelské genotypy
 Genotyp hostitele s alelou rezistence
odolává parazitickým genotypům
 Úspěšný genotyp se nezafixuje, je
nákladný
Matching alleles – kompatibilní interakce
 genotypy hostitele a parazita
kompatibilní = evoluční zámek a klíč, pak
infekce
- frekvenčně závislá selekce fixaci zabrání
Evoluční mechanizmy udržování polymorfizmu
1) frekvenčně-závislá selekce – výhoda vzácné alely
(nejvyšší fitness vzácného genotypu)
+
+
+
+
H1
H2
Evoluční mechanizmy udržování polymorfizmu
2) výhoda heterozygotů – nejvyšší fitness heterozygotů
+
+
Evoluční mechanizmy udržování polymorfizmu
3) selekce lišící se v čase a prostoru – fitness genotypu se
liší v čase nebo prostoru
► Srpkovitá anemie – dědičnost alely HgbS genu pro
hemoglobin
► Heterozygoti HgbS x HgbA rezistentní vůči malariii
► Selekce vůči homozygotům HgbS a homozygotům HgbA
Evoluční mechanizmy udržování polymorfizmu
Parazity zprostředkovaný přírodní výběr
1) znak musí být fenotypicky variabilní
2) početnost parazitů se mezi jedinci se v rámci
hostitelské populace musí různit
3) selektovaný znak musí korelovat s početností
parazitů
4) variabilita v počtu parazitů musí mít vztah k fitness
hostitele ~ fenotypová variabilita znaku musí mít
vztah k variabilitě ve fitness
5) Variabilita v antiparazitární rezistenci je dědičná
Parazity zprostředkován pohlavní výběr
► Pohlavní výběr (sexuální selekce)
= přírodní výběr působící na expresi určitých fenotypů u
jednoho pohlaví (nejčastěji samců), které určují úspěšnost při
výběru partnera druhým pohlavím
- vede k pohlavnímu dimorfizmu
př. Rozdíl ve velikosti mezi samcem a samicí, rozdílná velikost
ocasů, rozdíl ve zbarvení, přítomnost parohů, hlasové projevy
Parazity zprostředkován pohlavní výběr
Mechanismy:
► Kompetice mezi samci (jedinci, spermie)
► Samičí výběr (investuje více do
reprodukce)
Parazit může ovlivňovat:
1) Intrasexuální selekci (schopnost porazit konkurenta)
2) Intersexuální selekci (schopnost přilákat partnera)
3) Vybíravost při selekci partnera
Proč jsou neparazitovány samci lepší?
Přímé výhody pro samičku a její potomstvo
1) vyhýbá se nákaze
Hypotéza předcházení parazitární infekci –
parazita sama detekuje (ektoparaziti)
Hypotéze indikátor nákazy – detekuje parazita
přes ornamenty
2) získává zdravého a životaschopného partnera
= kvalitní rodičovská péče o potomstvo
Nepřímé výhody pro potomstvo
- alely („geny“) pro rezistenci k parazitům
- vyšší životaschopnost potomstva
Výběr dobrých nebo komplementárních
imunitních genů?
Model dobrých genů Model komplementárních genů
Dobré geny a sexuální ornamentace
Vlaštovka obecná (Hirundo rustica) a roztoči
1. Exprese ornamentace je spojená
s intenzitou parazitace
- samci s dlouhým ocasem mají méně roztočů
2. Samice preferuje samce s exprimovaným
znakem
- samice preferují samce s dlouhým ocasem
2. Parazit ovlivňuje fitness hostitele
- mláďata s vysokou parazitaci jsou menší a mají nižší přežívání
3. Dědičnost v rezistenci k parazitům
- potomstvo dlouhoocasých samců vykazuje dědičnou rezistenci k roztočům
Komplementární geny a sexuální ornamentace
Kolijuška tříostná (Gasterosteus
aculeatus)
-rozlišují jedince podle MHC
-maximum jedinců má střední počet
alel
-střední počet alel MHC = nejvyšší
rezistence
- samičí výběr optimálního počtu MHC
alel pro potomstvo