Direkt zum InhaltDirekt zur SucheDirekt zur Navigation
▼ Zielgruppen ▼

Humboldt-Universitaet zu Berlin - Collaborative Research Center for Theoretical Biology

Evolution parasitärer Eigenschaften von Endosymbionten am Beispiel des intrazellulären Bakteriums Wolbachia

Vertikal übertragene Endosymbionten sind in ihrer Reproduktion vom Überleben und der Fortpflanzung des Wirts abhängig. Dies begünstigt die Evolution von Kooperation, wie das Beispiel der Mitochondrien und ihrer eukaryotischen Wirtszellen eindrucksvoll belegt. Der Evolution dieser Kooperation können aber auch Hindernisse im Weg stehen, die in der Biologie zunächst nur theoretisch erkannt wurden. Endosymbionten mit rein cytoplasmatischer Vererbung werden von männlichen Wirten nicht auf die nächste Generation übertragen. Sie stehen daher im Prinzip unter Selektionsdruck, das Geschlechtsverhältnis ihre Wirte zugunsten von Töchtern zu beeinflussen und sich generell eher an weibliche als an männliche Aspekte der Physiologie ihrer Wirte anzupassen. Intrazelluläre Bakterien der Gattung Wolbachia stellen heute des Modellsystem dar, an dem diese Hypothese besonders eingehend untersucht wird. Wolbachien gehören phylogenetisch zu den nächsten Verwandten der Mitochondrien. Sie werden im Regelfall cytoplasmatisch vererbt und greifen tatsächlich bei vielen Arthropoden massiv in deren Reproduktions- und Entwicklungsphysiologie ein. Dabei geling ihnen (1) die Feminisierung (FEM) genetischer Männchen, die sich unter dem Einfluss der Bakterien zu reproduktionsfähigen Weibchen entwickeln, (2) die Induktion von Parthoneogenese (PI) bei Weibchen, (3) das als „Male Killing“ (MK) bezeichnete Stören der Embryonalentwicklung männlicher Nachkommen mit letalen Konsequenzen und (4) das Auslösen von „Cytoplasmatischer Inkompatibilität“ (CI), einer Paarungsunverträglichkeit des männlichen Wirts mit uninfizierten Weibchen.

Bei CI nehmen Wolbachien im Männchen modifizierenden Einfluss (mod) auf die Spermatogenese. Befruchteten Spermien infizierter Männchen eine uninfizierte Eizelle, so ist die erste Mitose meist gestört und die Embryonalentwicklung bricht frühzeitig ab. Eine solche Störung tritt nicht ein, wenn auch die Eizelle mit Wolbachien desjenigen CI-Typs infiziert ist, auf den die Spermienmodifikation zurückgeht. Dieser Effekt wird als „Rescue“ (resc) bezeichnet. Seit kurzem gibt es neue cytologische Befunde über die Art der Störungen, die diesem mod-resc System zu Grunde liegen. So kommt es beim Befruchtungsvorgang der Wespe Nasonia vitripennis in Abwesenheit von resc zu einer retardierten Entwicklung des paternalen Pronucleus und einem übermäßig verzögerten „Envelope Breakdown“. Molekulare Grundlagen dieser Effekte sind noch nicht bekannt. Die bereits erfolgte Sequenzierung mehrerer Wolbachia Genome durch internationale Forschungskonsortien und die zurzeit in experimentellen Arbeitsgruppen geplanten Genexpressionsanalysen lassen jedoch erwarten, dass im Fortsetzungszeitraum des Projekts wesentlichen Fortschritte bei der Aufklärung der molekularen Grundlagen des mod-resc Systems erzielt werden können. Ein Ziel unseres Projekts besteht darin, durch die Analyse von Genexpressionsdaten unseres amerikanischen Partners John H. Werren und durch Modellierung des mod-resc Systems zur Aufklärung der CI-Mechanismen beizutragen. Dabei sollen auch Grenzen der Robustheit zellulärer Regulationsnetzwerke identifiziert werden, die den Parasitismus der Endosymbionten ermöglichen.

Etwa 20% aller Insektenarten sind mit Wolbachien infiziert und Modulationen der oben beschriebenen Art konnten sehr oft nachgewisen werden. Wir wollen daher die Frage untersuchen, warum es Wirten in de Evolution nur schwer gelingt, Resistenz gegen reproduktionsmodulatorische Aktivitäten der Bakterien zu entwickeln, oder sich ihrer ganz zu entledigen. Für den Fall der CI sollen mathematische Modelle (Selesktionsgleichungen) erstellt werden, um die Evolution eigener Rescue-Mechanismen bei Wirtsweibchen zu untersuchen und allgemein den Spielraum für die Evolution von Resistenz-Genen zu analysieren. Von der Behandlung der Resistenzproblematik erwarten wir, dass eine evolutionäre Abhängigkeit des Wirts von seinem Parasiten deutlich gemacht werden kann, die in subtiler Weise die „Addiction Hypothesis“ der intragenomischen Konfliktforschung stützt. In dieser Hypothese wird die Beziehung zwischen Wirt und Parasit mit dem Phänomen einer Drogenabhängigkeit verglichen. Die Evolution von Resistenzgenen wollen wir auch für den Fall des Male Killing untersuchen. Theoretisch müssten MK-Resistenz erzeugende Gene beim Wirt durch ungewöhnlich starke selektive Kräfte begünstigt werden, da sich den wenigen Männchen einer mit MK-Wolbachien infizierten Popualtion außerordentlich große Fortpflanzungschancen bieten. Umso verblüffender ist die Tatsache, dass sich eine extreme Form des Male Killing über mindestens hundert Jahre in einer Population des Schmetterlings Hypolymnas bolina halten konnte, bei der das Geschlechtsverhältnis radikal zugunsten der Weibchen verschoben ist. Hierzu konnten wir in der ersten Projektphase mit Untersuchungen zur genetischen Demographie von lokal mit MK-Wolbachien befallenen Metapopulationen einen Erklärungsansatz entwickeln, der jetzt weiter ausgebaut werden soll.

Neben der evolutionären Antwort des Wirtes auf Wolbachien soll auch die Koevolution unterschiedlicher Wolbachientypen mathematisch behandelt werden. Wir wollen dabei herausfinden, welche selektiven Kräfte für den Erhalt der mod-Funktion im mod-resc System verantwortlich sind, und wie es zur Evolution neuer CI-Typen kommen kann. Außerdem soll gezeigt werden, warum Wolbachia-Superinfektionen nicht zu einer Erhöhung der Virulenz führen, obwohl Stadardmodelle der evolutionären Virulenzforschung dies zunächst suggerieren würden.

Ein weiterer Fragenkomplex gilt der Rolle von Wolbachia als diversitätserzeugendem Faktor in der Arthropodenevolution. Wir haben bereits gezeigt, dass lokal begrenzte Infektionen mit CI-Wolbachien die genetische Divergenz in Wirtspopulationen fördern und für die unter dem Stichwort „Reinforcement“ bekannte Artbildungstheorie von Bedeutung sind. Diese Untersuchungen sollen mit diploiden genetischen Modellen fortgesetzt werden, in denen sich die Evolution genetischer Module lawinenartig vollzieht. Langfristig wollen wir auch den Einfluss von FEM-Wolbachien auf die Evolution der Geschlechtsdetermination erforschen.

Beschreibung der ersten Periode
Beschreibung der aktuellen Periode