Parasites and host behaviour: Co-evolution from genotype to phenotype

Parasitter kan endre atferden til organismene de lever i eller på. Endringene skjer ofte på en slik måte at parasitten ser ut til å tjene på det, typisk ved at de spres til nye vertsdyr eller nye miljøer. Slik manipulasjon av vertsdyrene forekommer for eksempel ved at dyr mister sin naturlige skyhet for rovdyr, og når parasitterte dyr spises hopper parasitten til neste stadium i sin livssyklus. I dette prosjektet studerer vi særlig en ikte (flatorm) som i sitt fullvoksne stadium lever i tarmen på fiskespisende fugl. I fisken finnes de derimot som små cyster på hjernen, og infisert fisk viser mye merkelig atferd. De er mye mindre redd for bevegelser over vann og blir gjerne gående å vimse rett under overflaten. Fugl fanger slik fisk mye lettere enn fisk som ikke har parasitten. Våre resultater viser at fuglen ikke plages nevneverdig av parasitten, tvert om får de i stedet lettere tilgang på mat. Man kan nesten si at den bruker parasitten til biologisk krigføring mot byttedyrene. I dette prosjektet fokuserer vi på hvilke gener parasitten har som lar den påvirke nervesystemet til fisk, og vi finner at disse er beslektet med mekanismer som er utviklet for å lure immunforsvaret til å tro at parasitten er en del av vertsdyret. Spesielt viser det seg at parasitten er i stand til å omdanne store mengder av den for immunsystemet essensielle aminosyren tryptopfan, en mekanisme som ellers brukes av kreftceller for å hemme immunfunskjon lokalt i kroppen. For å undersøke om enkelte individer er mer følsomme for manipulasjon enn andre, har vi brukt en annen hjerneparasitt, en såkalt microsporid som lever intracellulært i nervesystemet hos sebrafisk. Atferdsreaksjoner på denne parasitten er påvist i sebrafisk som viser hhv høy og lav mottagelighet for stress og sykdom. Ett av de mest interessante resultatene er imidlertid at en også ser påfallende atferdsendringer hos arter av fisk som ikke lar seg smitte av parasitten, men eksponeres uten å gi noen målbar bestående infeksjon. Laboratoriefisken medaka ble i forsøk eksponert for den samme microsporiden som infiserte sebrafisk, men parasitten lot seg aldri påvise i medaka. Selv om fiskens immunsystem avviste parasitten og forhindret bestående infeksjon, så førte imidlertid den kortvarige aktiveringen til at eksponert fisk ble både mer aktive og søkte tettere sammen med andre fisk i en gruppe. Dette betyr at bestemte atferdstrekk ("personlighet") kan være styrt av infeksjoner som ikke gir noen egentlige sykdomstegn. I denne konteksten bør nevnes at omtrent halvparten av alle kjente arter på jorden regnes å være parasitter, og mennesker kan bli infisert av rundt 400 ulike slike arter. Prosjektets resultater kan altså være relevante for å forklare atferd og psykologiske trekk ikke bare hos fisk.

The project suggests a resolve to a long standing debate, by showing that parasites indeed directly affect the host nervous system, but the same mechanism doubles as immune defense and may indeed have originally evolved as such. Demonstrating this novel principle of neuroimmune crosstalk and consequences thereof will impel the research front to move significantly forward in this field. Another tangible outcome is the establishing of a pipeline for genome-wide identification of candidate genes for host phenotypic manipulation. A policy of open-access sharing of multi-omics datasets is established, and provides a resource for integrative data exploration by the scientific community at large. This will lay the grounds for developing new model systems amenable to experimental study, and call forth further studies towards the true impact of parasites and pathogens on behaviour and neurobiology both in natural ecosystems and, tentatively, in the human society.

This project builds on and interacts with the recently funded RCN FRIPRO project entitled: Parasite control of host behaviour: Revealing a neurobiological mechanism for active manipulation (NEUROPAR, 2015-2018). The purpose of this proposal is to facilitate the formation of an internationally competitive research group in the field of host-parasite systems biology. The introduction and testing of several fundamentally new concepts regarding evolutionary drivers and molecular-genetic mechanisms for parasite control of host phenotype is described. A specifc aim is to identify genes coding for neuroactive signalling substances in the genome of the endoparasitic trematode Euhaplorchis californiensis, and thereby test a novel hypothesis: That parasites may acquire the ability to manipulate host phenotype by molecular mimicry or sequestration of specific host genes, as is known to occur for the purpose of immune evasion. A pipeline for genome-wide identification of candidate genes and screening for close hits in the genomes vertebrate hosts will be developed, which in turn will lay the grounds for testing another arcane idea: One main evolutionary driver for parasite mediated trophic transmission could be the energetic benefit of the final host, in addition to increased parasite fitness. In other words, I hypothesize that parasitized animals demonstrating decreased anti-predator behavior fulfil the extended phenotype not only of the parasite but that of the predator. The project has subsidiary aims, in order to not depend to heavily on this untested idea. A zebrafish and a rodent-Toxoplasma gondii model will also be established to test the hypothesis that inherently reactive (= more flexible) phenotypes are more susceptible to manipulation. Finally, field and laboratory studies of a Nordic species (Arctic char, Salvelinus alpinus) are proposed in order to reveal a possible novel case of manipulation of host physiology.