Att släpa runt en bandmask som är en tredjedel av din kroppsvikt kan vara ett riktigt drag. Så treryggrad stickleback-fisk utvecklade resistens mot bandmaskar – men resistens har sina egna kostnader, visar ett team av forskare i Science den 8 september.

När treryggrad klibbalfisk lämnade marina vatten för att kolonisera norra sötvattensjöar för omkring 12 000 år sedan, mötte de sötvattensbandmaskar. Bandmaskarna invaderade deras magar och växte och nådde enorma storlekar på en fjärdedel till en tredjedel av värdfiskens kroppsvikt. Det skulle vara som en medelstor människa som bär runt en bandmask på 50 pund. Vissa populationer av sticklebacks utvecklade snabbt ett försvar:när de möter en bandmask bildar deras immunsystem ärrvävnad runt den, vilket stoppar dess tillväxt. Men andra populationer av stickleback tolererar maskarna istället och ger bara lite ärr eller inte alls.

Grupper av sticklebacks som ärr mot bandmaskar och de som inte gör det kan leva ganska nära varandra, i sjöar bara mil från varandra. Hittills har ingen förstått varför vissa sticklebackpopulationer utvecklats på ett sätt och några på ett annat.

"Vi ser det här i Alaska, i British Columbia. Kollegor har sett det i Skandinavien", säger UConn-biolog Dan Bolnick.

"Det snygga med samevolution mellan bandmask och fisk är att det är en anmärkningsvärt dynamisk process, och det finns olika resultat av denna evolutionära strid på varje plats vi tittar på", säger Jesse Weber, biolog vid University of Wisconsin-Madison. Bolnick, Weber och Natalie Steinel, en biolog och biträdande chef för Center for Pathogen Research &Training vid University of Massachusetts-Lowell, arbetade tillsammans för att svara på frågan om resistens mot stickleback-parasit. Längs vägen visade de att resistens mot parasiter inte alltid är bra.

De studerade sticklebacks från närliggande sjöar Roberts och Gosling på Vancouver Island i British Columbia. Båda sjöarna har bandmask, och båda har sticklebacks. De två populationerna av klibbalfisk är extremt lika. Den stora skillnaden är att Roberts fiskar ärr aggressivt för att förhindra att bandmaskar växer, och gåslingfiskar gör det inte. Den enda andra uppenbara skillnaden är att honor från Roberts reproducerar sig mycket mindre framgångsrikt än honor från Gosling, uppenbarligen för att all ärrvävnad i deras underliv gör det svårare.

Forskarna ville veta vilka gener som var ansvariga för ärrbildningen och om ärrbildningen var anledningen till att Roberts honor inte reproducerade sig lika bra. Men om de helt enkelt jämförde genomerna från Roberts och Gosling-fiskar direkt, kan de bli förvirrade av andra genetiska skillnader mellan populationerna som var irrelevanta för ärrbildning. De var tvungna att blanda de två populationerna så att den enda konsekventa skillnaden mellan två fiskar var ärrbildningsegenskapen.

För att blanda om det genetiska däcket korsade forskarna fisk från Roberts Lake med fisk från Gosling. Dessa Roberts-Gosling-hybrider var alla lika, där var och en hade hälften av sina gener från varje population. Sedan parades dessa hybrider ihop för att skapa en andra generation. Den andra generationen hade många olika kombinationer av gener med individuella fiskar med olika egenskaper som skilde sig från varandra, deras hybridföräldrar och från Roberts och Gosling morföräldrargenerationen.

Det var denna andra, genetiskt blandade generation som forskarna sedan exponerade för bandmaskar.

Efter att ha exponerat dem under ett visst antal dagar tittade teamet på de relativa mängderna ärrbildning och bandmask i varje fisk. De analyserade arvsmassan hos fiskar med tung maskbelastning och jämförde det med DNA från fiskar med kraftiga ärrbildningar. De minskade skillnaderna till en handfull gener och tittade sedan noga för att se vilken av generna som var mycket aktiv. Och de fann att en av de mest aktiva generna var en gen som också är nära förknippad med ärrbildning hos möss.

Du kanske blir förvånad över att möss ärr på samma sätt som fiskar. Men ärrbildningen styrs av immunsystemet, som är liknande hos alla ryggradsdjur, från fisk till möss till oss.

Forskarna tittade sedan på den genen i de två ursprungliga populationerna. I arvsmassan hos Goslingsjöns sticklebacks – fisken som tolererar bandmaskarna utan ärrbildning – fann forskarna att genen nyligen hade utvecklats. Det verkade finnas ett konstant evolutionärt tryck för att tolerera bandmaskar istället för att göra ärr i dem.

"Detta är ett av mycket få papper som gjorts både i naturen och i labbet för att visa en stor fitnesskostnad för parasitresistens", säger Bolnick. Men det är vettigt. Kvinnliga sticklebacks med massor av ärrbildning har 80 % mindre sannolikhet att framgångsrikt häcka. Bandmaskar verkar inte påverka aveln, även om de saktar ner fisken och gör den mer sannolikt att bli uppäten av en fågel.

"När vi hoppar runt och tittar på dessa system kan vi lära oss oerhört mycket, inte bara om evolutionsprocessen, utan också om nya mekanismer med tillämpat värde på människor och boskap. Mekanismer som hur ditt immunsystem känner igen en parasit, hur du motstå en parasit och hur du stänger av ett oönskat immunsvar", säger Weber.

"Detta arbete är viktigt eftersom det belyser den immunologiska variabiliteten (och därmed förmågan att motstå infektioner) som finns inom och mellan populationer, hur det uppstår och hur det kan påverka hälsoresultaten", säger UMass Lowells Natalie Steinel. "I den här artikeln tar vi upp frågor om samevolution av immun/patogen med fisk, men dessa principer är allmänt tillämpliga på andra djursystem, inklusive mänskliga infektioner. För att framgångsrikt hantera infektionssjukdomar måste vi förstå balansen mellan kostnader och fördelar som resultat av ett immunsvar." + Utforska vidare

Studie detaljerad hur vissa fiskar klarar av parasiter, med konsekvenser för människors hälsa