Wolbachia pipientis

Die Wirkungen von Wolbachia auf ihre Wirte werden jeweils als Strategien verstanden, die dem Bakterium eine hohe Übertragungsrate und eine weite Verbreitung sichert.[1]

Bei der Rollassel Armadillidium vulgare wird der Hormonhaushalt der Nachkommen gestört, so dass sich auch aus genotypisch männlichen Individuen phänotypische Weibchen entwickeln. Da zytoplasmische Merkmale, Mitochondrien und auch Wolbachien infizierter Tiere nur von Weibchen in die folgende Generation weitergegeben werden, ist mit der Feminisierung ein Vorteil für Wolbachia verbunden. Der Mechanismus besteht in der Unterdrückung der Entwicklung jener Drüsen, die männliche Sexualhormone produzieren. Die feminisierten genetischen Männchen stehen den nicht infizierten Männchen als Sexualpartner zur Verfügung, obwohl diese, wenn sie die Wahl haben, genetische Weibchen bevorzugen. Zudem ist die Feminisierung häufig unvollständig, die betroffenen Individuen weisen eine Mischung von männlichen und weiblichen Merkmalen auf. In feminisierten Populationen entsteht ein Mangel an männlichen Tieren, der teilweise durch größere sexuelle Aktivität der verbliebenen nicht infizierten Männchen kompensiert wird.[1][5]

Das einzige bislang bekannte Insekt, das eine feminisierende Wirkung von Wolbachien zeigt, ist der Tagfalter Eurema hecabe. Die Entfernung von Wolbachia durch die Gabe eines Antibiotikums führt dazu, dass die betroffenen Tiere nur noch männliche Nachkommen zeugen. Bei dem wirtschaftlich bedeutenden Pflanzenschädling Ostrinia scapulalis, einem Kleinschmetterling aus der Familie der Crambidae, wurde ebenfalls eine Feminisierung vermutet, tatsächlich wird die ausschließlich weibliche Nachkommenschaft infizierter Weibchen durch das Töten der männlichen Embryonen bewirkt.[5]

Da die vollständige Beseitigung fortpflanzungsfähiger genetischer Männchen in einer Population den Untergang sowohl des Wirtes, als auch seines Parasiten bewirken würde, gibt es eine Reihe von Mechanismen zum Erhalt der Arten. Bei der Mauerassel Oniscus asellus werden weniger als 88 Prozent der Nachkommen mit Wolbachia infiziert. Dadurch ist sichergestellt, dass sich in der folgenden Generation stets fortpflanzungsfähige Männchen befinden. Bei Insektenarten mit männlicher Heterogametie ist die Feminisierung mit einer hohen Sterblichkeit des Nachwuchses verbunden. Daher sind Gruppen wie die Hautflügler nicht von einer Feminisierung der Männchen betroffen.[5]

Eine weitere Strategie, weibliche Individuen als Überträger der Wolbachien zu begünstigen, besteht in der Parthenogenese. Weil sämtliche Nachkommen weiblich und Träger der Infektion sind, wird auch der Fortpflanzungserfolg des Bakteriums verdoppelt. Durch Wolbachien induzierte Parthenogenese wurde bislang in drei Ordnungen nachgewiesen, den Fransenflüglern (Thysanoptera) und Hautflüglern (Hymenoptera) bei den Insekten und den Trombidiformes bei den Spinnentieren. Damit konzentriert sich die Parthenogenese bei Wolbachia-infizierten Gliederfüßern auf Arten mit haplodiploider Geschlechtsdetermination.[5]

Unter den Rüsselkäfern wurde eine einzige parthenogenetische Art, Naupactus tesselatus, als Träger von Wolbachien identifiziert. Es ist jedoch noch nicht geklärt, ob das Bakterium bei der Entwicklung der Parthenogenese bei diesem und anderen parthenogenetischen Rüsselkäfern eine Rolle gespielt hat. Die bei einigen Arten der Gattung Drosophila nachgewiesenen Wolbachien scheinen nicht mit der Parthenogenese in Zusammenhang zu stehen. Wolbachien induzieren Parthenogenese auf unterschiedliche Weise. Es sind drei Wege beschrieben worden, zwei automiktische und ein apomiktische. Im Unterschied zu den Strategien der Feminisierung, des Male-Killing und der Zytoplasmischen Inkompabilität kann das Induzieren der Parthenogenese zum Erlöschen des männlichen Geschlechts führen. Es gibt aber auch Fälle, wie bei einigen Arten der Wespengattung Trichogramma, in denen infizierte und nicht infizierte Individuen koexistieren. Die infizierten unbefruchteten Weibchen vermehren sich parthenogenetisch und produzieren nur infizierte weibliche Nachkommen, während die nicht infizierten Weibchen unbefruchtet nicht infizierte weibliche Nachkommen und befruchtet nicht infizierte Männchen hervorbringen. Die Bevorzugung weiblicher Nachkommen kann Männchen selten werden lassen. Bei der Wespe Telenomus nawai (Hymenoptera: Scelionidae) wurde eine Mutation festgestellt, die nicht infizierte Weibchen sowohl unbefruchtet als auch befruchtet in großer Zahl männlichen Nachwuchs produzieren lässt.[5]

Male Killing (MK) bezeichnet das Töten männlicher Nachkommen während der Embryogenese. Diese Strategie kann nur dann für die Wolbachien von Vorteil sein, wenn sie die infizierten Schwestern der absterbenden Männchen begünstigt. Das ist regelmäßig dort der Fall, wo Geschwister miteinander im Wettbewerb um knappe Ressourcen stehen. Man hat beobachtet, dass mit Wolbachia infizierte Weibchen des tropischen Schmetterlings Hypolimnas bolina ausschließlich weibliche Nachkommen hervorbringen. Zu den Insekten, bei denen die Infektion mit Wolbachien zum Tod der männlichen Nachkommen führt, gehört auch der Kleinschmetterling Ostrinia scapulalis. Während männliche Individuen als Larve absterben, sind weibliche Tiere zwingend auf Wolbachien angewiesen. Wenn das Bakterium mit Tetracyclin abgetötet wird, sterben auch die Weibchen. Im Experiment konnten infizierte Männchen durch die Mikroinjektion einer geringen Zahl von Wolbachien erzeugt werden. Auch die Tetracyclin-Behandlung von Weibchen kurz vor der Eiablage führte zur Entwicklung lebensfähiger infizierter männlicher Nachkommen, wenn sie in einem nicht tödlichen Ausmaß infiziert waren. Die Körper dieser Männchen wiesen eine Mischung männlicher und weiblicher Gewebe auf. Eine höhere Bakterienlast führte auch bei diesen Experimenten zum Absterben männlicher Larven.[5][6][7]

Weitere Insekten, in denen die Strategie des Male Killing verfolgt wird, sind die Taufliegen Drosophila bifasciata und Drosophila innublia, die Käfer Tribolium madens und Adalia bipunctata und der Schmetterling Acraea encedon. Auch der Pseudoskorpion Cordylochernes scorpioides gehört zu den betroffenen Arten.[5]

Die Zytoplasmische Inkompatibilität (CI) ist die am weitesten verbreitete Wirkung einer Infektion mit Wolbachien. Die Paarung eines infizierten Männchens mit einem Weibchen, das nicht oder mit einem anderen Stamm infiziert ist, führt zur gesteigerten Mortalität der Nachkommen. Im Extremfall sterben alle Nachkommen in der Embryonalphase ab. Durch diese Fehlpaarung werden die betroffenen Weibchen effektiv von der Fortpflanzung ausgeschlossen, nur die Überträgerinnen eines kompatiblen Bakterienstamms bringen mit infizierten Männchen lebensfähige infizierte Nachkommen hervor. Bezogen auf die Gesamtpopulation werden infizierte gegenüber nicht infizierten Weibchen im Fortpflanzungserfolg begünstigt.[1][8]

Der bezeichnete Effekt wurde nicht nur theoretisch vorhergesagt, sondern konnte in den 1980er Jahren bei der Ausbreitung von Wolbachien in einer ursprünglich nicht infizierten kalifornischen Population von Drosophila simulans beobachtet werden. Der genaue Wirkmechanismus ist noch unbekannt, die Spermien infizierter Männchen enthalten keine Wolbachien. Während der Spermatogenese müssen also die Spermien so manipuliert worden sein, dass sie bei der Befruchtung der Eier, abhängig vom Infektionsstatus des Weibchens, lebensfähige oder nicht lebensfähige Nachkommen zeugen.[5]

Die Zytoplasmische Inkompatibilität kann eine Reihe von phänotypischen Veränderungen bewirken, die auch bei Mutationen der Gene maternal haploid, ms(3)K81 und sésame der häufig in der Genetik als Modellorganismus genutzten Taufliege Drosophila melanogaster vorkommen. Auch bei der Untersuchung von Mutationen, die die Reproduktion beeinflussen, kann eine Infektion mit Wolbachien in entwicklungsbiologischen Laboren Untersuchungsergebnisse verfälschen. Ein großer Teil der in der Forschung genutzten Drosophila-Stämme ist mit Wolbachien infiziert.[5]

Die parasitoide Wespe Asobara tabida ist bei der Oogenese auf die Anwesenheit von Wolbachia pipientis angewiesen. Der Mechanismus ist noch nicht detailliert untersucht, aber die Behandlung mit Antibiotika zur Beseitigung der Wolbachien führt dazu, dass die Weibchen keine fruchtbaren Eier mehr produzieren. Damit wird der Ausschluss nicht infizierter Weibchen von der Fortpflanzung bewirkt. Asobara tabida ist stets mit Wolbachien dreier Stämme infiziert, wobei nur einer die Oogenese beeinflusst und die beiden anderen zytoplasmische Inkompatibilität bewirkt.[9]

Wolbachia pipientis ist auf lebende Wirtszellen angewiesen und kann nicht alleine in einem Nährmedium am Leben erhalten werden. Es ist aber bereits 1997 gelungen, eine natürlich mit Wolbachia pipientis infizierte Zelllinie aus Eiern der Asiatischen Tigermücke (Aedes albopictus) zu kultivieren. Das Nährmedium war eine Mischung aus gleichen Teilen Mitsuhashi-Maramorosch-Insektenmedium und Schneiders Insektenmedium, dem 10 bis 15 Prozent Fetales Kälberserum zugefügt wurden. Dieser Wolbachia-Stamm wird auch nach dem Entwickler der Methode O’Neill-Stamm genannt und kann auch auf Kulturen von Fibroblasten aus humanem embryonalem Lungengewebe und auf einer anderen Zelllinie von Aedes albopictus in einem speziellen Nährmedium vermehrt werden.[1][10]

Eine Gruppe japanischer Molekulargenetiker entdeckte 2000 in Chromosomen verschiedener Stämme von Wolbachia genetisches Material des Bakteriophagen WO. Wie andere artspezifische Bakteriophagen spielt auch der Bakteriophage WO eine Rolle bei der Synthese eines mikrobiellen Toxins, indem er das genetische Material für die Toxinproduktion kodiert.[8]

Die Schätzungen des Anteils der Insektenarten, die von Wolbachia pipientis infiziert werden, reichen von 16 bis 76 Prozent. Hinzu kommen zahlreiche weitere Arten von Gliederfüßern und Nematoden.[11] Die Verteilung innerhalb der taxonomischen Gruppen ist sehr unterschiedlich. Bei den Tierläusen scheinen Wolbachien fast alle Arten zu infizieren, während die als Vektoren zahlreicher Infektionskrankheiten bedeutenden Mücken der Gattung Anopheles frei von natürlichen Infektionen sind.[5]

Unter den Landasseln sind mehrere Arten mit Wolbachien der Supergruppe B infiziert, die eine Feminisierung männlicher infizierter Tiere bewirken.[5]

Einige humanpathogene Filarien wie Onchocerca volvulus, Wuchereria bancrofti, Brugia malayi und Brugia timori sind obligate Träger der endosymbiotisch lebenden Wolbachien. Eine veterinärmedizinisch bedeutende Art ist Dirofilaria immitis als Erreger der Herzwurmerkrankung des Hundes. Die Wolbachien werden mit den Eizellen in die jeweils nächste Generation weitergegeben und sind phylogenetischen Untersuchungen zufolge seit Millionen Jahren symbiotisch mit den Filarien verbunden. Die gemeinsame Evolution beider Arten und molekulargenetische Untersuchungen, die keine Hinweise auf Abwehrmechanismen gegen Wolbachia bei den Wirten und Reaktionen der Wolbachien darauf erkennen ließen, stützen die These der mutualistischen Beziehung.[12][2][13]

Die Verbreitung der Wolbachien bei den Filarien geht wahrscheinlich auf ein Infektionsereignis zurück, das die gemeinsamen Vorfahren der Unterfamilien Onchocercinae und Dirofilariinae betraf. Es ist noch ungeklärt, wie groß der Anteil von obligaten und fakultativen Trägern der Wolbachien unter den Arten der Filarien ist, und warum bei nahe verwandten Arten obligate Träger und Nicht-Träger vorkommen. Offenbar bietet Wolbachia den Trägern einen evolutionären Vorteil, der noch nicht identifiziert werden konnte. Bei einzelnen Arten ist die symbiotische Bindung an Wolbachia im Laufe der Evolution wieder verlorengegangen zu sein. Zu einem derartigen Verlust muss es in der Phylogenese der Onchocerciden mindestens sechs Mal gekommen sein.[2][14]

Die von diesen Filarien verursachten Erkrankungen des Menschen, die Onchozerkose der Haut und der Augen und die lymphatische Filariose mit der besonders schweren Form der Elephantiasis, gehören zu den schwersten und am weitesten verbreiteten Parasitosen. Die Erreger werden durch Mücken und Fliegen übertragen, die bei einer Blutmahlzeit von einem infizierten Wirt Mikrofilarien aufnehmen und sie bei den folgenden Wirten abgeben können. In den einer Neuinfektion folgenden zehn bis fünfzehn Jahren bei Onchocerca und fünf und mehr Jahren bei lymphatischer Filariose wachsen die Filarien im Wirt heran, vermehren sich millionenfach und können von Blutsaugern wieder aufgenommen und verbreitet werden. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren weltweit 200 Millionen Menschen mit Filarien infiziert und mehr als eine Million Menschen exponiert.[12][15]

Bei Filarien infiziert Wolbachia die Zellen der lateralen Nervenstränge beider Geschlechter in allen Stadien, von den Mikrofilarien bis zum adulten Tier. Darüber hinaus werden die Geschlechtsorgane und die Eizellen der weiblichen Filarien und die Vorläufer der lateralen Nervenstränge in den Embryonalstadien infiziert, nicht jedoch die Geschlechtsorgane der männlichen Filarien. Vermutlich im Zusammenhang mit der Reproduktion kommt es in den Körpern der weiblichen Filarien kurz nach dem Befall eines Säugetierwirts zur Vervielfachung der Wolbachien. Da im Genom der Filarie Brugia malayi keine Gene identifiziert werden konnten, die bei anderen Tieren für die Produktion der Häme sorgen, wird den Wolbachien die Versorgung der Filarien mit Hämen zugeschrieben.[11][2]

Wolbachien tragen entscheidend zur Entwicklung, Fortpflanzung und pathogenen Wirkung der Filarien bei. Sie bewirken die Akkumulation und Aktivierung von neutrophilen Granulozyten um die Filarien und aktivieren Makrophagen. Die Neutrophilen sind wiederum am Abtöten und Abbauen der Mikrofilarien und am Entstehen der Onchozerkose als Ort der Kopulation geschlechtsreifer Onchocerca volvulus beteiligt. Im Mausmodell der Onchozerkose tragen Wolbachien und die von ihnen verursachte Reaktion der Neutrophilen entscheidend zur Keratitis als gravierendstem Symptom der Erkrankung bei, während die ebenfalls beteiligten eosinophilen Granulozyten durch die Anwesenheit der Mikrofilarien und die Makrophagen durch beide aktiviert werden.[12][16]

Wolbachia wurde 1924 von den US-amerikanischen Mikrobiologen Marshall Hertig und Simeon Burt Wolbach entdeckt.[24] Die Erstbeschreibung erfolgte 1936 durch Hertig, wobei er die Gattung nach seinem Kollegen Wolbach benannte und das Artepithet an den wissenschaftlichen Namen des Typuswirts Culex pipiens anlehnte.[25][1]

Wolbachia wurde zunächst in die Tribus Wolbachieae der Familie Rickettsiaceae aufgenommen. Im Rahmen einer Revision der Ordnung Rickettsiales durch den US-amerikanischen Parasitologen Cornelius Becker Philip wurde sie 1956 mit den Gattungen Aegyptianella, Anaplasma, Ehrlichia und Neorickettsia in die Familie Anaplasmataceae gestellt. Diese Verwandtschaftsbeziehung wurde durch molekulargenetische Untersuchungen bestätigt.[1][26] Im Jahr 2020 erfolgte eine größere taxonomische Untersuchung der innerhalb der Alphaproteobacteria geführten taxonomischen Einteilung.[27] Hierbei wurde die Familie Anaplasmataceae aufgelöst und die Gattungen zu der wieder aufgestellten Familie Ehrlichiaceae gestellt.[28]

Wolbachia nimmt dabei eine Position zwischen den mit Würmern assoziierten Bakterien der Gattung Neorickettsia und den von Zecken übertragenen Anaplasma und Ehrlichia ein.[5]

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere Arten der Gattung Wolbachia beschrieben, die mittlerweile in anderen Gattungen stehen oder lediglich Synonyme von Wolbachia pipientis sind:

• Wolbachia persica Suitor & Weiss 1961[29] ist ein Synonym von Francisella persica;[30]
• Wolbachia popcon ist eine in der zweiten Auflage von Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology verwendete Falschschreibung von W. popcorn;
• Wolbachia popcorn Min & Benzer 1997[31] bezeichnet nur einen Stamm popcorn, aufgrund des Erscheinungsbilds infizierter Zellen;[31]
• Wolbachia postica Hsiao & Hsiao 1985[32] ist ein Synonym von W. pipientis (Supergruppe B).[33]

Obgleich heute nur eine Art der Gattung Wolbachia anerkannt ist, wird innerhalb der Art eine hohe Diversität beobachtet. Diese Diversität wird nicht wie üblich in Form der Beschreibung weiterer Arten, sondern durch die Einteilung in Supergruppen zum Ausdruck gebracht.[2]

Aktuell werden bei Wolbachia pipientis 16 Supergruppen unterschieden, die mit den Buchstaben A bis Q bezeichnet werden und eine Klade bilden. Die Supergruppe G hat sich als eine Rekombination der Supergruppen A und B erwiesen.[34] Einer Beschreibung der von Höhlenspinnen der Gattung Telema isolierten Supergruppe R wurde 2016 widersprochen.[35][36] Ein Versuch, die Art Wolbachia pipientis in zahlreiche Arten aufzuspalten, wobei nur die Supergruppe B als Wolbachia pipientis erhalten bleiben sollte, stieß auf Ablehnung.[37][38][39]