Belgische onderzoekers van het Instituut voor Tropische Geneeskunde reconstrueerden hoe een nieuwe menselijke parasiet ontstond ten gevolge van klimaatopwarming. In deze blog schrijft onderzoeker Frederik Van den Broeck hoe ze te werk gingen.
De evolutietheorie van Charles Darwin is ontkiemd op de Galapagoseilanden, een groep vulkanische eilanden ter hoogte van de evenaar op ongeveer 1000km van de westkust van Zuid-Amerika. Het groot aantal unieke soorten op de eilandengroep inspireerde Darwin in het schrijven van zijn beroemd boek “The Origin of Species”. Als tiener had ik het geluk om de Galapagoseilanden en het regenwoud in Ecuador te ontdekken met mijn familie. Het is ook daar dat mijn fascinatie voor evolutiebiologie is gekiemd, een niet onbelangrijk moment voor het onderzoek dat ik hieronder beschrijf. Want vanaf 2016 ging ik zelf op zoek naar de oorsprong van een nieuwe soort: deze van een nieuwe menselijke parasiet in de Andes.
Foto 1. Links: 10-daagse ontdekking van de Galapagoseilanden, mekka voor evolutiebiologen. Het was eigenlijk een plezierreisje, maar ik kon het niet laten om continu notities te nemen van onze observaties. Rechts: In het regenwoud van Ecuador met mijn avontuurlijke moeder Evelyne Denys, biologe en plantdeskundige.
Zuid-Amerika huist een groot deel van de globale biodiversiteit, en is hierdoor één van de meest soortrijke regio’s op Aarde. Dit komt door een heel rijke geologische en klimatologische geschiedenis. Tijdens het Neogeen (het geologische tijdperk van 23,03 tot 2,58 miljoen jaar geleden) veranderde het landschap heel sterk. Zo begon de Andes zich te vormen, net als de Landengte van Panama. Dat is het gebied dat Zuid-Amerika met Noord-Amerika verbindt.
Na het Neogeen brak het Pleistoceen aan, een periode die duurde tot zo’n 11.700 jaar geleden. Ze is beter bekend als ‘De IJstijd’, ook al is die naam enigszins misleidend. Je kan ze namelijk onderverdelen in een vijftigtal koude ijstijden en warmere tussenperioden. Deze afwisseling zorgde voor een grote instabiliteit van leefgebieden.
Al deze historische processen hebben een sterke invloed gehad op de vorming van nieuwe soorten reptielen, vogels, insecten, en planten (denk bijvoorbeeld aan de tarantula, blauwe ara, toekan of pijlgifkikker). Het Amazonewoud, het grootste regenwoud op Aarde, kent de grootste diversiteit van planten ter wereld met meer dan tweehonderdduizend planten- en boomsoorten per vierkante meter.
Foto 2. Links: Replica van een keramieken beeld van de Moche beschaving (0 tot 750 n.Chr.) (foto Jean-Claude Dujardin). Het beeld vertoont letsels aan de neus en bovenlip die typisch het gevolg zijn van een infectie met cutane leishmaniase. Dergelijke beelden zijn talrijk en tonen aan hoe inheemse Peruviaanse volkeren in de ban waren van deze tropische ziekte. Rechts: Groene vallei in de Andes met een dorp waar Leishmania parasieten circuleren. Rondom het dorp is het veelal droog en dor, waardoor zandvliegjes er niet kunnen overleven en dus de parasiet niet kunnen overbrengen (foto Jorge Arevalo).
Voor ons onderzoek trekken we naar Peru. Peru is biogeografisch een bijzonder interessant land, want je kan er zowel het Amazonewoud en de Andes terugvinden. Als gebergte is de Andes daarbij gekenmerkt door groene valleien, bergweiden, loofbossen, woestijnen en struikgewas. Het vormt een natuurlijk laboratorium om het ontstaan van nieuwe soorten in kaart te brengen. Samen met collega’s uit het Instituto de Medicina Tropical ‘A. von Humboldt’ (IMTAvH) doen we er onderzoek naar Leishmania, een parasiet die zoogdieren infecteert en overgedragen wordt door zandvliegjes. Leishmania braziliensis circuleert vooral in het Amazonewoud bij dieren zoals de luiaard of de buidelrat. Infecties bij mensen zijn eerder accidenteel en gebeuren vooral bij mannen die het oerwoud intrekken voor bijvoorbeeld houtkap, maar ook onder guerrillastrijders of drugtrafficanten vallen slachtoffers.
Leishmania is een gevaarlijke parasiet. In zo’n 15% van de infecties infiltreert hij de slijmvliezen en veroorzaakt hij ernstige misvormingen van het gezicht. Het is één van de vele ‘jungle’ pathogenen die de endemische volkeren van Peru ertoe aanzetten om het oerwoud te ontvluchten door hoger gelegen gebieden in de Andes op te zoeken (Foto 2 links). In de hoger gelegen groene valleien van de Andes komt een nauwverwante soort voor – L. peruviana – die slechts heel kleine huidletsels veroorzaakt, en voornamelijk circuleert tussen zandvliegjes, mensen en dieren die in de buurt van de mens leven zoals ratten en honden (Foto 2 rechts). De kennis dat twee nauwverwante soorten in totaal verschillende ecosystemen voorkomen - en hierbij verschillende ziektes veroorzaken – motiveerde ons om een uitgebreide genetische studie te starten.
Foto 3. Prof. Jean-Claude Dujardin die een foto maakt van een vliegennet in het oerwoud van Peru (foto van Prof. Dr. Jorge Arevalo).
In het Instituut voor Tropische Geneeskunde (ITG) in Antwerpen hebben we de ‘cryo’: een beveiligd lokaal met grote tanks waar duizenden virussen, bacteriën en parasieten worden bewaard op een temperatuur van bijna -200 graden Celsius. In deze tanks vonden we 67 Leishmania stammen terug uit 47 locaties in Peru. De meeste van deze stammen waren begin jaren ‘80 verzameld door Prof. Jean-Claude Dujardin (ITG) en zijn Peruviaanse collega Jorge Arevalo (IMTAvH) (foto 3). De legende gaat dat de echtgenote van Jean-Claude – die toen meereisde naar Peru, en zelf geen wetenschapster is – nauwgezet de herkomst van elk beestje bijhield. Daarnaast trok ik ook nog naar de London School of Hygiene and Tropical Medicine om een tiental extra stammen naar het ITG te halen. Zo konden we uiteindelijk over een complete dataset beschikken. Nu volgt het “science-fiction” gedeelte: al die ingevroren parasieten – de meesten ouder dan ik – werden terug tot leven gebracht in konijnenbloed. De parasieten werden dan door onze laborante Ilse Maes verder opgekweekt om genoeg DNA te bekomen. Daarna werd dat DNA geïsoleerd en verstuurd naar onze collega’s in de Wellcome Sanger Instituut in Cambridge (foto 4), waar ze het hele genoom van alle 67 stammen hebben gelezen.
Foto 4. Het Sanger Instituut werd opgericht in 1992 en was betrokken bij het ontrafelen van het menselijk genoom. Sindsdien hebben ze een ongeziene reputatie opgebouwd rond sequensen en bio-informatica. Links: Het is op deze machines dat het DNA van onze parasieten volledig werd gelezen. Rechts: Selfie van mij met James Cotton. We hebben meerdere maanden samengewerkt om de data te ontrafelen.
Wat volgde waren langdurige bio-informatische analyses, waarover ik me heb ontfermd. Voor elk van de 67 stammen kwamen er ongeveer 10 miljoen sequenties uit de machine. Zo’n sequentie kan je je inbeelden als één lang woord van 100 letters (A, C, G of T) zonder spaties. Dat wil zeggen dat voor alle 67 stalen samen we gemakkelijk aan een miljard woorden zaten, hetgeen lijkt op een enorm zwembad vol willekeurige lettercombinaties. Om al deze woorden te kunnen ‘lezen’ en begrijpen, ordenden we ze voor elke stam apart in een boek met hoofdstukken en paginanummers. Daarna konden we de boeken van alle 67 stammen letter voor letter gaan vergelijken en een genetische catalogus opstellen met de verschillen die we vonden. Sommige boeken verschillen maar in één letter (wat we een enkel-nucleotide polymorfie noemen). In sommige boeken zijn woorden verwijderd of toegevoegd (wat we kleine deleties of inserties noemen), terwijl in andere boeken hele pagina’s zijn verdwenen of toegevoegd (wat we structurele variaties noemen). Tenslotte konden we met behulp van onze catalogus een stamboom opstellen die ons iets vertelde over de evolutionaire verwantschappen tussen onze stammen.
Door onze genetische catalogus te bestuderen, vonden we drie grote groepen parasieten die elk binnen een specifiek biotoop in Peru circuleren. De eerste groep kwam overeen met de pathogene L. braziliensis soort die voornamelijk in het regenwoud circuleert (bruin in Foto 5). De tweede en derde groep kwamen overeen met de soort die in de Andes voorkomt, waarvan eentje in de tropische loofbossen in het Noorden van Peru (blauw in Foto 5) en de andere in woestijnen en droge struwelen langs de kust van de Stille Oceaan (oranje in Foto 5). Dit toonde aan dat deze parasieten een intieme ecologische verbondenheid hebben met hun dierlijke gastheer en vector (de zandvlieg), want in elke biotoop is er een andere samenstelling van dieren en vectoren.
Foto 5. Kaartjes van Peru met in het zwart de Andes. Links: verspreidingsgebied van de pathogene soort L. braziliensis die circuleert in het Amazonewoud (bruin). Midden en rechts: verspreidingsgebied van de soort L. peruviana die in de Andes circuleert, binnen twee verschillende biotopen, nl. tropische loofbossen (blauw, middelste kaart) en woestijn en droge struwelen (oranje, rechtse kaart).
Dankzij de genetica konden we vervolgens inschatten dat de gemeenschappelijke voorouder van de twee groepen in de Andes wellicht zo’n 126.000 jaar geleden is ontstaan. Onze modellen toonden daarbij aan dat de verspreiding van de drie groepen parasieten in Peru sterk beïnvloed werd door het klimaat. Tijdens het laatste interglaciaal, zo’n 120.000 jaar geleden, overlapten de leefgebieden van de Leishmania uit de Andes en uit het Amazonewoud, en dit nabij de Porculla pas in het Noorden van Peru. Tijdens de laatste grote ijstijd die daarop volgde, zo’n 21.000 jaar geleden, was dit niet langer het geval. De drie leefgebieden waren opnieuw sterk geïsoleerd. Als dergelijke periodes van isolatie lang genoeg duren, kan dit leiden tot een nieuwe soort. Onze resultaten tonen dus aan dat de nieuwe soort in de Peruviaanse Andes is ontstaan tijdens klimaatveranderingen de voorbije 150.000 jaar. We kunnen natuurlijk niet bewijzen waar en wanneer juist dit gebeurd is, en welke gastheren/vectoren daarbij betrokken waren. Hiervoor hebben we fossiele vondsten nodig, maar die zijn heel zeldzaam voor parasieten.
Naarmate de aarde verder opwarmt, zullen we steeds vaker zien hoe nieuwe parasieten en virussen zich gaan nestelen in een nieuw thuis
Ons onderzoek leert ons dat er door klimaatverandering nieuwe ziekten kunnen ontstaan. We onthouden dat parasieten als deze een intieme ecologische verbondenheid hebben met hun dierlijke gastheer (vb. een luiaard) en vector (de zandvlieg). Externe factoren zoals klimaatverandering of ontbossing kunnen deze ecologische verbondenheid destabiliseren. Dat resulteert vaak in een sprong van pathogenen naar nieuwe gastheren of vectoren. In dit geval toonden we aan dat er uit de oude leishmania-soort in het vochtige Amazonewoud een nieuwe soort ontstond in de Andes. Maar ook bij andere ziekten kan zich dit voordoen. Naarmate de aarde verder opwarmt, zullen we steeds vaker zien hoe nieuwe parasieten en virussen zich gaan nestelen in een nieuw thuis. Zo is Leishmania ook al minstens enkele honderden jaren te vinden in het gebied rond de Middellandse Zee, en door de opwarming zal de parasiet verder opschuiven in onze richting.
Lees hier het artikel in PNAS.
