Research Collection - ETH E

Research Collection
Doctoral Thesis
Evolutionary parasitology and antimicrobial defenses in a
trypanosome-insect system
Author(s):
Marxer, Monika
Publication Date:
2015
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010496295
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
DISS. ETH. NO. 22823
EVOLUTIONARY PARASITOLOGY AND ANTIMICROBIAL DEFENSES IN
A TRYPANOSOME - INSECT SYSTEM
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
Presented by
MONIKA MARXER
MSc of Infection Biology and Epidemiology
University of Basel
Date of birth: 28th November 1987
Citizen of Liechtenstein
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Paul Schmid-Hempel, examiner
Prof. Dr. Jacob Koella, co-examiner
Prof. Dr. Jukka Jokela, co-examiner
2015
SUMMARY
Hosts and parasites are in a constant evolutionary struggle that is based on the dynamics of
evolutionary processes. When studying host-parasite interactions it is crucial to understand the
trade-offs and costs arising from these evolutionary changes. A powerful research tool, called
experimental evolution, offers the opportunity to study evolutionary processes experimentally in
real time. Thus, trade-offs, costs and drug resistances arising from selection applied under
experimental evolution can be investigated in a targeted fashion. At the same time, we currently
have a strong need to find new drug therapeutics as drug resistance is constantly emerging. In this
thesis, I investigated the costs and trade-offs of growth rate during experimental evolution as well
as the use of antimicrobial peptides (AMPs) as potential anti-trypanosomal drug candidates.
These experimental studies were performed using the trypanosome parasite Crithidia bombi and
its host the bumblebee Bombus terrestris, as a model system.
In Chapter 2, C. bombi genotypes (“strains”) were evolved experimentally in vitro with replicate
strains selected for either fast or slow growth rates. These evolved strains were then tested, in an
in vivo experiment, for infection success in the bumblebee host. Slower growing lines showed to
have a higher infection intensity success than faster growing lines. This suggests that for the
parasite growing fast may come at a cost in terms of reduced infection ability.
In a further experiment (Chapter 3), the same evolved strains were used to run genomic sequence
analyses. The aim was to investigate genomic changes that may have occurred during
experimental evolution. A number of single nucleotide polymorphisms (SNPs) were discovered in
all evolved strains. Most SNPs were found in a fast growing strain that completely lost infection
ability in the previous study. This finding highlights that accumulating genetic changes could lead
to attenuation of the parasite.
7 Building on these results, I tested whether in vitro competition exists among C. bombi species and
whether growth rate affects the parasite susceptibility to competition. This experiment revealed
that intraspecific competition among C. bombi strains indeed exists and faster growing strains
were more susceptible to a competitor. I conclude that the maximization of growth rate in a
parasite can be associated with trade-offs with traits such as parasite susceptibility in the presence
of competition.
In a fourth experiment (Chapter 5), I investigated the role of AMPs against insect trypanosomes.
Three synthesized AMPs (Abaecin, Defensin and Hymenoptaecin) were tested in vitro against
several C. bombi genotypes. This revealed that an anti-trypanosomal effect of all three tested
peptides is present, especially when peptides were administered in dual combinations. Moreover,
peptides acted more effectively when given in combination, suggesting a synergistic effect.
Finally, in Chapter 6, I assessed the in vivo efficacy of AMPs as a prophlyactic. Hymenoptaecin,
as a representative AMP, was tested against C. bombi in the host. The peptide was administered to
bumblebee workers, which were exposed to infected nest mates, to protect against infection.
Results show that no Hymenoptaecin effect in vivo could be detected as all bees became infected
with the parasite despite the administration of Hymenoptaecin.
Based on my findings, I conclude that growing fast comes with a high cost for the parasite under
competitive conditions. A “perfect parasite” should evolve towards optimization of within-host
growth rate, not maximization, in order to achieve its optimal infection success and parasite
survival. I also draw attention to the need for a better understanding of AMPs as potential future
therapeutics. This will require more research into their potential use both in in vitro as well as in
vivo studies.
8 ZUSAMMENFASSUNG
Wirt und Parasit sind in einem ständigen evolutionären Wettbewerb, der durch die grundlegende
evolutionäre Dynamik geprägt wird. Bei der wissenschaftlichen Untersuchung von Wirt-ParasitInteraktionen ist es von entscheidender Bedeutung die Trade-offs ("Abtausche") und die Kosten,
die sich aus dieser evolutionären Veränderung entwickeln, genau zu verstehen. Eine
überzeugende Forschungsmethode, genannt Experimentelle Evolution, bietet die Möglichkeit
evolutionäre Prozesse experimentell in Echtzeit zu studieren. Dadurch ist es möglich, die
entstehenden Trade-offs und Kosten der evolutionären Veränderungen genau zu erforschen.
Derzeit ist es auch ein verbreitetes Problem, dass die Resistenz gegenüber Arzneimittel stetig
zunimmt. Daher benötigen wir dringend neue Arzneimittel. Die Schwerpunkte dieser
Doktorarbeit fallen auf die Kosten und Trade-offs von Wachstumsraten. selektiert durch
Experimentelle Evolution, sowie die Benutzung von Antimikrobiellen Peptiden (AMPs) als
potenzielle neue Arzneimittel gegen Trypanosomen. Die Hummel, Bombus terrestris, und ihr
trypanosomer Parasit, Crithidia bombi, wurden als Modellsystem verwendet, um die hier
präsentierten experimentellen Studien durchzuführen.
In Kapitel 2 wurden C. bombi Genotypen („Stämme“) experimentell in vitro evolviert, wobei auf
zwei verschiedene Wachstumsraten selektiert wurde, um schnell und langsamer wachsende
Stämme zu erzeugen. In einem weiteren in vivo Experiment wurden diese evolvierten Stämme
dann auf ihre Erfolgsrate der Infektion im Wirt getestet.
Es zeigte sich, dass langsamer
wachsende Stämme einen deutlich besseren Erfolg in der Infektion als schneller wachsende
Stämme hatten. Dies spricht dafür, dass schnelles Wachstum den Parasiten die Infektionsfähigkeit
kosten könnte.
In einem weiteren Experiment (Kapitel 3), wurden die gleichen evolvierten Stämme gebraucht um
eine Genomsequenzierung durchzuführen. Ziel war es die Genomveränderungen, die während der
Experimentellen Evolution entstanden sein könnten, zu untersuchen. In allen evolvierten Stämme
9 entstand eine grosse Anzahl einzelner Nukleotidpolymorphismen (SNP). Die meisten SNPs
wurden in einem schnell wachsenden Stamm entdeckt, der im vorigen Experiment die
Infektionsfähigkeit komplett verloren hatte. Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, Parasiten
durch akkumulierende Genomveränderungen abzuschwächen.
Basierend auf diesen Resultaten habe ich experimentell untersucht, ob eine in vitro Konkurrenz
zwischen C. bombi Stämme existiert, und ob die Wachstumsrate einen Einfluss auf die
Empfindlichkeit der Parasiten gegenüber Konkurrenz hat. Dieses Experiment zeigte auf, dass
intraspezifische Konkurrenz zwischen den C. bombi Stämmen tatsächlich existiert. Zudem waren
schneller wachsende Stämme deutlich empfindlicher gegenüber Konkurrenten. Daher komme ich
zum Schluss, dass ein Maximieren der Wachstumsrate für einen Parasiten mit deutlichen Tradeoffs mit anderen Merkmalen verbunden ist, wie z.B. Parasitenempfindlichkeit in der Anwesenheit
eines Konkurrenten.
In einem vierten Experiment (Kapitel 5), habe ich die Rolle der Antimikrobiellen Peptide
gegenüber Trypanosomen untersucht. Drei synthetisierte AMPs (Abaecin, Defensin und
Hymenoptaecin) wurden in vitro getestet gegen mehrere C. bombi Genotypen. Ein antitrypanosomaler Effekt wurde gefunden für alle drei Peptide, vor allem wenn sie in
Zweierkombinationen getestet wurden. Peptide zeigen einen möglichen synergistischen Effekt, da
sie eine bessere Wirkung in Kombinationen zeigen.
Zum Abschluss wurde die in vivo Wirksamkeit der AMPs als Prophlyaktikum untersucht (Kapitel
6). Hymenoptaecin, als repräsentativer AMP, wurde gegen C. bombi im Wirt getestet. Das Peptid
wurde an Hummelarbeiterinnen verabreicht, um sie vor Infektion zu schützen, da sie mit anderen
infizierten Nestgenossen in Kontakt gebracht wurden. Ich konnte zeigen, dass Hymenoptaecin
keine erkennbare in vivo Wirkung hat. Alle Hummeln wurden trotz der Verabreichung von
Hymenoptaecin infiziert.
10 Basierend auf meine Ergebnisse schliesse ich, dass das schnell Wachstum mit hohen Kosten für
den Parasiten verbunden ist. Ein „perfekter Parasit“ sollte daher nicht eine maximale, sondern
eine optimale Wachstumsrate (im Wirt) evolvieren, so dass er optimale Infektionserfolge und
Parasitenbestand erreicht. Ich möchte auch darauf aufmerksam machen, dass es dringend nötig ist,
mehr Einsicht in die AMPs als potentielle Zukunftstherapien zu bekommen. Man müsste daher
mehr Forschung in in vitro und in vivo Studien investieren.
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