C. elegans hat des Öfteren mit fiesen Darmparasiten zu kämpfen. Den evolutionären Wettstreit „Wurm vs. Bakterium“ hat sich...
Im Reich der Roten Königin aus Lewis Carrolls Erzählung „Through the Looking Glass“ gibt es eine anstrengende Regel: Hierzulande musst du so schnell rennen, wie du kannst, wenn du am gleichen Fleck bleiben willst.
Seit den 1970er-Jahren ist die Herrscherin aus dem englischen Kinderbuch auch Biologen ein Begriff. „Typische Red-Queen-Dynamik!“ heißt es seither, wenn es um einen evolutionären Dauerwettlauf geht, wie ihn Parasiten und ihre Wirtsorganismen austragen. Die Genome von Wirt und Parasit, mitsamt Resistenz- und Virulenzfaktoren, bleiben in ständiger Bewegung. Bei Red-Queen-Dynamiken gibt es keine Sieger, weil die Wettläufer auf jede neue Anpassung des Widersachers umgehend mit einer Gegenanpassung reagieren.
Kaum hat die Evolution eine Abwehrstrategie gegen den derzeit vorherrschenden Gegnertyp gefunden, breitet sich in der Parasitenpopulation schon eine neue Variante aus. Die natürliche Selektion bevorzugt jeweils Genotypen, mit der die Gegenseite gerade gar nicht gut zurechtkommt – und zwar sowohl auf Wirts- als auch auf Parasitenseite.
Wie dieses genetische Ping-Pong genau funktioniert, dazu gibt es auch nach jahrzehntelanger Forschung unterschiedliche Vorstellungen. Zwei davon haben Wurmbiologen um Hinrich Schulenburg von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel jetzt im Detail auf den Prüfstand gestellt. In ihrem Modellsystem muss der Fadenwurm Caenorhabditis elegans gegen Bacillus thuringiensis antreten.
B. thuringiensis befällt den Darm der Nematoden. Wenn die Bazillen sich dort anreichern, zerstören ihre Toxine die Darmzellen des Wirts. Der Wurm wehrt sich gegen den Eindringling auf unterschiedliche Weise, zum Beispiel indem er Resistenzen gegen die Toxine entwickelt. Um die Dynamik des evolutionären Gefechts zwischen diesen beiden Protagonisten zu verstehen, müsste man nicht nur jeweils Momentaufnahmen erstellen, sondern Organismen aus verschiedenen „evolutionären Epochen“ gegeneinander antreten lassen – so die Überlegung der Forscher.
Nette Idee, aber wie soll das in der Praxis gehen? Den Evolutionsbiologen kommt eine Besonderheit des Fadenwurms zu Hilfe: Man kann die Würmchen jahrelang einfrieren und wieder auftauen. Nach einem Dornröschenschlaf im Stickstofftank kriechen sie wieder putzmunter über ihre Petrischale. Schulenburg erklärt: „Das ist ein großer Vorteil für unsere Experimente, denn wir können Parasiten aus der Zukunft mit Wirten aus der Vergangenheit kombinieren, und umgekehrt. Wir haben das in dieser Arbeit zum ersten Mal in großem Umfang ausgenutzt.“
Der bakterielle Gegenspieler ist naturgemäß recht leicht zu handhaben – auch, weil B. thuringiensis Sporen bildet, die man problemlos aufbewahren kann. „Das ist ein wunderbar kontrollierbares System. Auch deshalb, weil wir Pathogen und Wirt wieder sauber voneinander trennen können. Das ist bei anderen Organismen in der Regel sehr schwierig“, ergänzt der Kieler Biologe.
Mit diesem Set-up ist alles bereit: Die Rote Königin soll sich im Labor beweisen.
Das Experiment beginnt mit einer Population von etwa dreitausend Fadenwürmern, die auch ordentlich genetische Variation mitbringen. Anpassungen auf der Seite des Wurms, die im Verlauf des Experiments auftreten, gehen also vermutlich auf die Selektion von schon vorhandenen Genvarianten zurück. Auf diese Ausgangspopulation lassen Schulenburg und sein Team die B.-thuringiensis-Sporen los. Im Unterschied zu den Würmern ist der Bakterienstamm genetisch quasi identisch, Anpassungen auf Pathogenseite erfordern also neue Mutationen.
Wirt und Parasit machen dann eine Weile ihr Ding, die Würmer fressen und wachsen, die Bakterien befallen Wurmdärme, und beide vermehren sich, so gut es eben geht. Wobei manche Würmer aufgrund vorteilhafter Gene besser mit dem gerade dominierenden Parasitentyp zurechtkommen und sich schneller reproduzieren als ihre Artgenossen. Aber auch in der gegnerischen Ecke sind neu auftretende Varianten des Pathogens besser darin, die gerade dominanten Wurmtypen zu befallen.
Nach einer Weile des ungestörten Evolvierens greifen die Forscher ein und übertragen etwa dreitausend der überlebenden Würmer zusammen mit den koevolvierten Bakterien in die nächste Runde. 23 Runden lang lief das Experiment auf diese Weise weiter. Und von den Zwischenschritten entsteht im Lauf des Experiments ein tiefgekühltes Archiv.
Mit diesen Archiv-Organismen setzen Erstautor Andre Papkou und seine Kollegen schließlich ihre experimentellen Duelle auf zwischen Würmern und Bakterien aus Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft (immer aus der Sicht des jeweiligen Gegenspielers). Als Resultat der Zweikämpfe bestimmen sie die Fitness der Kombattanten. Fitness bezeichnet hier nicht etwa den Trainingszustand der Würmchen, sondern ist natürlich im evolutionsbiologischen Sinne ein Maß für das Potenzial, unter den jeweiligen Bedingungen lebensfähige Nachkommen hervorzubringen.
Zwei mögliche Szenarien hatten die Kieler für den Ablauf des Experiments im Sinn: Erstens das wiederkehrende Auftreten von selektiven „Sweeps“ und zweitens die „antagonistische frequenzabhängige Selektion“ – Letztere ist in der Regel gemeint, wenn im engeren Sinne von „Roter-Königin-Dynamik“ die Rede ist. Schulenburg erklärt den Unterschied: „Im Modell einer Arms-Race-Dynamik mit selektiven Sweeps geht man davon aus, dass ein vorteilhaftes Allel zur Fixierung in der Population kommt. Die nächste Anpassung kann erst passieren, wenn eine neue Mutation aufgetreten ist, die dann auch wieder in der Population fixiert wird.“
Credit: AG Schulenburg
Die Alternative dazu, die Dynamik der Roten Königin, funktioniert etwas anders: „Diesem Modell zufolge gibt es permanent genetische Variation. Die zu einem Zeitpunkt vorteilhaften Varianten werden nicht fixiert, es kommt vielmehr zu oszillierenden Veränderungen der relativen Frequenz der Allele.“
Wichtig dabei: „In unseren Experimenten können wir die beiden Modelle unterscheiden, weil wir jeweils andere Erwartungen haben“, betont Schulenburg.
Wenn selektive Sweeps der entscheidende Faktor für die Anpassung sind, dann sollten Gegenspieler aus der Zukunft immer eine höhere Fitness haben als deren Vorfahren – denn die Rückkehrer aus der Zukunft haben ja diesem Modell zufolge schon eine Innovation in der Population fixiert, auf die der Gegenspieler noch keine Antwort kennt.
Wenn allerdings, nach Art der Roten Königin, die beteiligten Allele immer in Bewegung sind, wenn ihre Frequenzen in einer Pendelbewegung ständig rauf- und runtergehen, dann sollten die kreuzweisen Duelle ein anderes Ergebnis zeigen: Der „mittlere Zeitpunkt“ des Experiments, wenn Parasit und Wirt jeweils genau gleich lange miteinander koevolvierten, sollte deutlich anders ausfallen als Paarungen, bei denen die Gegenspieler aus unterschiedlichen Epochen kommen und bei denen die Red-Queen-Dynamik sozusagen experimentell aus der Phase geworfen wurde.
Und Letzteres haben die Kieler Biologen auch gefunden. C. elegans und B. thuringiensis evolvierten so, wie man es dem Modell der Roten Königin zufolge erwartet hatte, zumindest von außen gesehen. Ähnliches haben andere Gruppen schon zuvor in anderen Systemen beobachtet, etwa beim Wasserfloh Daphnia und seinen Parasiten. Besonders am Kieler Experiment ist allerdings der Trick mit den aufgetauten Würmern, und die damit verbundene Möglichkeit, die Effekte genau festzunageln, meint Hinrich Schulenburg: „Wir haben diese Time-Shift-Experimente mehrfach wiederholt und konsistent die gleichen Ergebnisse gefunden. In diesem Umfang und dieser Akribie wurde das bisher nicht durchgeführt.“
Die Forscher wollten aber nicht nur die Fitness messen, sondern auch nachsehen, was in den Genomen der Bakterien und Würmer passiert. Für das Next Generation Sequencing taten sie sich mit Kollegen aus Paris zusammen. Zwei Überraschungen gab es dabei: B. thuringiensis hat offenbar eine simple und effektive Möglichkeit gefunden, im Rennen zu bleiben. Das Pathogen produziert einfach zusätzliche Kopien eines Plasmids, das Gene für die Toxinproduktion enthält.
Die zweite Überraschung kam von der Wurmseite der Genomik. Denn obwohl von außen betrachtet alles auf eine klassische Rote-Königin-Dynamik hinwies, sah es auf genomischer Ebene anders aus. Statt einer Pendelbewegung zwischen abwechselnd dominierenden Genvarianten, wie man es modellhaft erwarten könnte, waren immer andere Genorte an den neuen Anpassungen beteiligt. Die Evolution hat sich also am Büfett der bestehenden genetischen Variation reichlich bedient.
Schulenburg kommentiert: „Resistenz ist komplex organisiert. Daher ist es logisch, dass auch die evolutionäre Antwort von verschiedenen Genorten getragen wird. Im Nachhinein ergibt das Sinn. Es ist nur bisher nicht Teil der theoretischen Modelle gewesen.“
Und in der Natur ist vermutlich alles noch komplizierter, denn in einem echten Ökosystem gibt es mehr als zwei Partner. In diese Komplexität einzutauchen, das haben sich die Kieler als nächstes vorgenommen. Seit einiger Zeit arbeiten sie daran, auch das Mikrobiom in ihre Untersuchungen einzubeziehen.
Hans Zauner
Dieser Artikel erschien zuerst in Laborjournal-Heft 5-2019.
Papkou A. et al. (2019): The genomic basis of Red Queen dynamics during rapid reciprocal host–pathogen coevolution. PNAS, 116(3):923-8