Genetic regulation of parasite infection: empirical evidence of the functional significance of an IL4 gene SNP on nematode infections in wild primates

Background Susceptibility to parasite infection affects fitness-related processes, such as mate choice and survival, yet its genetic regulation remains poorly understood. Interleukin-4 (IL4) plays a central role in the humoral immune defence against nematode parasite infections, inducing IgE switch and regulation of worm expulsion from the intestines. The evolutionary and functional significance of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in IL4-genes is known, yet empirical information on the effect of IL4 SNPs on gastro-intestinal infections is lacking. Using samples from a population of wild red-fronted lemurs (Eulemur fulvus rufus, Primates: Lemuridae), from western Madagascar, we explored the association of IL4-gene promoter polymorphisms with nematode infections and investigated a possible functional role of the IL4 polymorphism on male reproductive success. Results Using sequence analyses of lemur DNA we detected a new SNP in the IL4 gene promoter area. Carriers of the genotype T/T showed higher nematode infection intensities than individuals of genotypes C/T and C/C. Genetic population analyses using data from more than 10 years, suggested higher reproductive success of T/T males than expected. Conclusions Our results suggest a regulatory effect of an IL4 gene promoter polymorphism on the intensity of parasite infections in a natural population of red-fronted lemurs, with a seemingly disadvantageous genotype represented in low frequencies. Long-term population analyses, however, point in the direction of a negative frequency-dependent association, giving a fitness advantage to the rare genotype. Due to low frequencies of the genotype in question conclusive evidence of a functional role of IL4 polymorphism cannot be drawn here; still, we suggest the use of IL4 polymorphism as a new molecular tool for quick assessment of individual genetic constitution with regard to nematode infection intensities, contributing to a better understanding of the actual components of the immune response that mediate protection against gastro-intestinal parasites

Individual Facial Coloration in Male Eulemur fulvus rufus: A Condition-dependent Ornament?

Researchers studying individual variation in conspicuous skin coloration in primates have suggested that color indicates male quality. Although primate fur color can also be flamboyant, the potential condition dependence and thus signaling function of fur remains poorly studied. We studied sources of variation in sexually dichromatic facial hair coloration in red-fronted lemurs (Eulemur fulvus rufus). We collected data on 13 adult males in Kirindy Forest, Madagascar, during two study periods in 2006 and 2007, to determine whether variation in facial hair coloration correlates with male age, rank, androgen status, and reproductive success. We quantified facial hair coloration via standardized digital photographs of each male, assessed androgen status using fecal hormone measurements, and obtained data on reproductive success through genetic paternity analyses. Male facial hair coloration showed high individual variation, and baseline coloration was related to individual androgen status but not to any other parameter tested. Color did not reflect rapid androgen changes during the mating season. However, pronounced long-term changes in androgen levels between years were accompanied by changes in facial hair coloration. Our data suggest that facial hair coloration in red-fronted lemur males is under proximate control of androgens and may provide some information about male quality, but it does not correlate with dominance rank or male reproductive success

Variation in der Anfälligkeit für Parasiteninfektionen: Muster, Determinanten und Konsequenzen bei Rotstirnmakis

Parasiten stellen wichtige ökologische und evolutionäre Faktoren dar, die einen starken modulierenden Effekt auf natürlich vorkommenden Tierpopulationen ausüben können. Vor allem im Zusammenhang mit Mechanismen der sexuellen Selektion, wird der Einfluss von Parasiten auf die Wirtspopulation als treibende Kraft angesehen. Obwohl viele empirische Studien in den verschiedensten Vertebratentaxa auf die Wichtigkeit von Parasiteninfektionen in natürlichen Population hinweisen, so ist doch bisher noch sehr wenig über die Mechanismen und den Einfluss von Parasitenbefall bei Primaten bekannt. Vor allem bei den Strepsirrhini (Feuchtnasenaffen) gibt es große Lücken bezüglich basis-ökologischer Daten zum Parasitenbefall. Mit Hilfe eines interdisziplinären Ansatzes, der parasitologische, genetische, sozio-biologische und Hormondaten vereint, habe ich zunächst Muster und Determinanten von gastro-intestinalem Parasitenbefall bei frei lebenden Rotstirnmakis (Eulemur fulvus rufus) untersucht um im folgenden mögliche Konsequenzen von individuellem Parasitenbefall auf den Paarungs- und Reproduktionserfolg männlicher Rotstirnmakis zu erforschen. Rotstirnmaki-Männchen fallen durch inter-individuell variierende Gesichtsfärbungen auf, darum war ein zusätzliches Ziel dieser Arbeit, die Konditionsabhängigkeit des Ornaments und damit eine mögliche Signalwirkung bezüglich der Männchenqualität zu evaluieren. Während zwei Feldaufenthalten in den Jahren 2006 und 2007 habe ich verschiedenartige Daten von 29 individuell markierten männlichen und weiblichen Rotstirnmakis im Kirindy Wald in West-Madagaskar aufgenommen. Parasiten- und Hormondaten wurden mit Hilfe wöchentlich gesammelter Kotprobenanalysen, Information zum Paarungs- und Reproduktionserfolg durch Fokustierverhaltensprotokolle und genetische Vaterschaftsanalysen ermittelt. Die gesamte Population war mit mindestens 10 unterschiedlichen Parasitenarten befallen, wovon 8 Arten den Helminthen, 2 weitere Arten den Protozoen zugeordnet werden. Prävalenz der meisten Parasiteninfektionen, so wie die Anzahl der verschiedenen Parasitenarten pro Individuum, überstiegen alle Werte, die bislang bei anderen Untersuchungen zum Parasitenbefall bei Lemuren berichtet wurden. Die vier untersuchten Rotstirnmaki-Gruppen unterschieden sich zudem teilweise in ihrer Parasitenfauna, was auf geringe Habitatunterschieden zurückzuführen ist. Im Vergleich zu anderen Studien, die Parasitenbefall bei Lemuren mit Hilfe eines horizontalen Designs untersucht haben, geben die Ergebnisse meiner Studie Hinweise darauf, dass solche Kurzzeitaufnahmen das wahre Ausmaß des Parasitenbefalls unterschätzen, und dass eine longitudinale Herangehensweise, wie in dieser Studie beispielhaft vorgestellt für zukünftige Studien von Vorteil wäre. Ein Teil der individuellen Variabilität im Parasitenbefall konnte durch genetische Polymorphismen im Promoter des IL4 Gens erklärt werden. IL4 reguliert die Immunantwort gegen Nematodenbefall und begünstigt den Ausstoß von Würmern aus dem Magen-Darm Trakt. Träger eines bestimmten IL4 Genotyps hatten den stärksten Nematodenbefall, was darauf hindeutet, dass der genetische Polymorphismus eine funktionelle Rolle in der Parasitenabwehr spielt. Allerdings zeigten genetische Langzeitpopulationsanalysen, dass, entgegen den Erwartungen, diese Tiere in ihrem Reproduktionserfolg nicht negativ beeinflusst waren, sondern sogar einen höheren Reproduktionserfolg hatten als erwartet, was auf andere, positive Effekte von IL4 rückschließen lässt. Gruppengröße, Alter, Geschlecht und sozialer Rang erklärten nur einen Teil der Variation im Parasitenbefall. Lemurenspezifische Charakteristika halfen, diese Muster zu verstehen. Paarungs- und Reproduktionserfolg der Männchen war nicht mit Parasiteninfektion korreliert. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass gastro-intestinale Parasiten bei Rotstirnmakis keine funktionelle Rolle in Prozessen der sexuellen Selektion innehaben. Die männliche Gesichtsfärbung, die zwar, wie hier gezeigt, unter der proximaten Kontrolle von Androgenen steht, fungierte hier auch nicht als Prädiktor für den männlichen Reproduktionserfolg. Parasitenbefall bei Rotstirnmakis unterlag starken Schwankungen zwischen den Untersuchungsjahren und diese Variabilität konnte teilweise auf Änderungen im Steroidhormonhaushalt der Männchen zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu den Vorhersagen des Immunokompetenzmodells (Folstad und Karter 1992), das von einer immunsuppressiven Wirkung von Androgenen ausgeht, weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass Androgene und Glukokortikoide vermutlich eine immunfördernde Funktion haben, die zu erniedrigtem Parasitenbefall führt. Zum besseren Verständnis der Interaktionen zwischen Primatenwirten und Parasiten schlage ich vor, dass in zukünftigen Modellen zwar ein ähnlich umfangreicher Ansatz, wie hier vorgestellt, gewählt wird, wurde; allerdings würde die Integration von zusätzlichen Faktoren wie z.B. Körperverfassung oder Ernährungszustand des Wirtstieres, aber auch Information zur Populationsdynamik der verschiedenen Parasitenarten in zukünftigen Modellen das Verständnis der komplexen Parasit-Wirt Beziehungen in natürlichen Populationen komplementieren

Contrasting patterns of structural host specificity of two species of Heligmosomoides nematodes in sympatric rodents.

Host specificity is a fundamental property of parasites. Whereas most studies focus on measures of specificity on host range, only few studies have considered quantitative aspects such as infection intensity or prevalence. The relative importance of these quantitative aspects is still unclear, mainly because of methodological constraints, yet central to a precise assessment of host specificity. Here, we assessed simultaneously two quantitative measures of host specificity of Heligmosomoides glareoli and Heligmosomoides polygyrus polygyrus infections in sympatric rodent hosts. We used standard morphological techniques as well as real-time quantitative PCR and sequencing of the rDNA ITS2 fragment to analyse parasite infection via faecal sample remains. Although both parasite species are thought to be strictly species-specific, we found morphologically and molecularly validated co- and cross-infections. We also detected contrasting patterns within and between host species with regard to specificity for prevalence and intensity of infection. H. glareoli intensities were twofold higher in bank voles than in yellow-necked mice, but prevalence did not differ significantly between species (33 vs. 18 %). We found the opposite pattern in H. polygyrus infections with similar intensity levels between host species but significantly higher prevalence in mouse hosts (56 vs. 10 %). Detection rates were higher with molecular tools than morphological methods. Our results emphasize the necessity to consider quantitative aspects of specificity for a full view of a parasites' capacity to replicate and transmit in hosts and present a worked example of how modern molecular tools help to advance our understanding of selective forces in host-parasite ecology and evolution

Data from: Effects of protein malnutrition on tolerance to helminth infection

Infection tolerance is the ability of a host to limit the health effects of a given parasite load. A few recent studies have demonstrated genetic variation for tolerance, but little is known about how environmental factors affect tolerance. Here, we used the intestinal nematode Heligmosomoides polygyrus in laboratory mice to test for effects of protein malnutrition on tolerance. We performed an experiment where two different mouse strains (CBA and BALB/c) were fed either adequate-protein food or low-protein food, and trickle-infected with different doses of H. polygyrus larvae during four weeks. We found that protein malnutrition decreases tolerance measured as intestinal barrier function, but only in one of the strains (BALB/c); that is, there was a host genotype-by-environment interaction for tolerance. We conclude that nutritional status can affect tolerance and that sensitivity of tolerance to malnutrition may differ between host genotypes

Effects of protein malnutrition on tolerance to helminth infection

Infection tolerance is the ability of a host to limit the health effects of a given parasite load. A few recent studies have demonstrated genetic variation for tolerance, but little is known about how environmental factors affect tolerance. Here, we used the intestinal nematode Heligmosomoides polygyrus in laboratory mice to test for effects of protein malnutrition on tolerance. We performed an experiment where two different mouse strains (CBA and BALB/c) were fed either adequate-protein food or low-protein food, and trickle-infected with different doses of H. polygyrus larvae during four weeks. We found that protein malnutrition decreases tolerance measured as intestinal barrier function, but only in one of the strains (BALB/c); that is, there was a host genotype-by-environment interaction for tolerance. We conclude that nutritional status can affect tolerance and that sensitivity of tolerance to malnutrition may differ between host genotypes