Immunological mechanism of host evolutionary adaptation to increasing virulence in a novel avian pathogen

• Název práce v češtině: Imunologické mechanismy evoluční adaptace hostitele ke vzrůstající virulenci nového ptačího patogenu
• Název v anglickém jazyce: Immunological mechanism of host evolutionary adaptation to increasing virulence in a novel avian pathogen
• Klíčová slova: Epidemie, adaptace hostitele, virulence, rezistence, tolerance, koevoluce, patogen, Mycoplasma gallisepticum, hýl mexický, Haemorhous mexicanus, regulační geny imunity, genová exprese, genetická variabilita, transkriptom, zánět spojivek, One Health
• Klíčová slova anglicky: Epidemics, host adaptation, virulence, resistance, tolerance, coevolution, pathogen, Mycoplasma gallisepticum, house finch, Haemorhous mexicanus, immune regulatory genes, gene expression, genetic variability, transcriptome, conjunctivitis, One Health
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra zoologie (31-170)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Michal Vinkler, Ph.D.

Seznam odborné literatury

Townsend, A. K., Hawley, D. M., Stephenson, J. F. & Williams, K. E. G. Emerging infectious disease and the challenges of social distancing in human and non-human animals. Proc. R. Soc. B Biol. Sci.287, 20201039 (2020).
Adelman, J. S., Moyers, S. C., Farine, D. R. & Hawley, D. M. Feeder use predicts both acquisition and transmission of a contagious pathogen in a North American songbird. Proc. R. Soc. B-Biol. Sci.282, (2015).
Lebov, J. et al. A framework for One Health research. One Health Amst. Neth.3, 44–50 (2017).
Vinkler, M., Leon, A. E., Kirkpatrick, L., Dalloul, R. A. & Hawley, D. M. Differing house finch cytokine expression responses to original and evolved isolates of Mycoplasma gallisepticum. Front. Immunol.9, 13 (2018).
Henschen, A. E. et al. Rapid adaptation to a novel pathogen through disease tolerance in a wild songbird. PLOS Pathog.19, e1011408 (2023).
Hawley, D. M. et al. Parallel patterns of increased virulence in a recently emerged wildlife pathogen. PLoS Biol11, e1001570 (2013).
Wucher, B. R., Elsayed, M., Adelman, J. S., Kadouri, D. E. & Nadell, C. D. Bacterial predation transforms the landscape and community assembly of biofilms. Curr. Biol.31, 2643-2651.e3 (2021).
Moyers, S. C., Adelman, J. S., Farine, D. R., Thomason, C. A. & Hawley, D. M. Feeder density enhances house finch disease transmission in experimental epidemics. Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci.373, 20170090 (2018).
Ley, D. H. Mycoplasma gallisepticum Infection. in Diseases of Poultry (ed. Saif, Y. M.) 807–834 (Blackwell Publishing, 2008).
Hochachka, W. M. & Dhondt, A. A. Density-dependent decline of host abundance resulting from a new infectious disease. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.97, 5303–5306 (2000).
Dhondt, A. A., Dhondt, K. V., Hawley, D. M. & Jennelle, C. S. Experimental evidence for transmission of Mycoplasma gallisepticum in house finches by fomites. Avian Pathol.36, 205–208 (2007).
Adelman, J. S., Carter, A. W., Hopkins, W. A. & Hawley, D. M. Deposition of pathogenic Mycoplasma gallisepticum onto bird feeders: host pathology is more important than temperature-driven increases in food intake. Biol. Lett.9, (2013).
Adelman, J. S., Kirkpatrick, L., Grodio, J. L. & Hawley, D. M. House finch populations differ in early inflammatory signaling and pathogen tolerance at the peak of Mycoplasma gallisepticum infection. Am. Nat.181, 674–89 (2013).
Råberg, L., Sim, D. & Read, A. F. Disentangling genetic variation for resistance and tolerance to infectious diseases in animals. Science318, 812–814 (2007).
Vinkler, M. et al. Understanding the evolution of immune genes in jawed vertebrates. J. Evol. Biol.36, 847–873 (2023).

Předběžná náplň práce

Navzdory jejich zásadnímu významu pro predikci epidemiologických trendů u nově vznikajících onemocnění zůstávají molekulární mechanismy evoluce imunity zvířat v reakci na infekční choroby většinou neznámé. V 90. letech 20. století způsobil nový kmen bakterie Mycoplasma gallisepticum (MG), horizontálně přenášeného a ekonomicky významného patogenu drůbeže, epidemii u nového hostitele – pěvce, jímž je hýl mexický (Haemorhous mexicanus). Infekce způsobuje zánět periorbitální lymfatické tkáně (mykoplazmatická konjunktivitida). Epidemie se postupně šířila od východu USA na západ, což v některých oblastech USA vedlo k lokálnímu poklesu populace hýlů mexických až o 60 %. Nyní jsou postiženy i populace na západním pobřeží Severní Ameriky, zatímco imunologicky naivní izolované populace, například na Havajských ostrovech, stále přežívají. V oblastech kontaktu MG vyvíjí silný selekční tlak na svého hostitele.
Nedávné výsledky, které jsme získali ve spolupráci s americkými kolegy, ukazují, že hýli mexičtí se postupně infekci evolučně přizpůsobují. Proti očekávání však ptáci zvyšují svou toleranci k infekci, nikoli rezistenci, jak předpovídá model zvodů ve zbrojení. Adaptované populace tak trpí méně závažnými příznaky nemoci (menšími kožními lézemi) při stejném množství bakterií. Patogen na tuto adaptaci reaguje zvýšením virulence, což podporuje jeho přenos. Američtí kolegové mají přístup k jedincům hýlů mexických z různých populací i k životaschopným historickým izolátům MG (jak z 90. let, tak nedávným), které jsou k dispozici pro experimentální infekce. Tento jedinečný modelový systém hostitel-patogen nám umožňuje popsat obecné imunologické mechanismy evoluční adaptace hostitele na nový, vysoce virulentní patogen. Tento výzkum je klíčový pro budoucí rozvoj epidemiologie infekčních nemocí.
Cíle doktorského projektu zahrnují:
Popis časové dynamiky změn exprese genů během mykoplazmové konjunktivitidy u hýlů pomocí transkriptomických dat z konjunktivy a dalších tkání.Na základě těchto poznatků vytvoření sterilního imunologického modelu onemocnění, který použijeme k identifikaci klíčových regulačních genů odpovědných za adaptaci tolerance na MG.Experimentální ověření imunologických efektů knock-downu klíčových molekul regulujících sílu konjunktivitidy u hýlů.Zmapování variability v sekvenci a expresi vybraných genů regulujících zánět mezi populacemi hýlů s různou koevoluční historií s MG (Virginia, Iowa, Arizona a Havaj).Pomocí experimentálního modelu určení rozdílů v imunitních efektech jednorázového, chronického a opakovaného kontaktu s patogenem, což může výrazně ovlivnit výsledek evoluční interakce hýlů s MG.
Tento projekt je inovativní díky interdisciplinární aplikaci moderních -omických přístupů a propojení tradičně oddělených disciplín do oblasti evoluční imunologie, čímž přináší nový pohled na biologii infekcí.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Despite their key importance for predicting the epidemiological trends in emerging diseases, the molecular mechanisms of animal immunity evolution in response to infectious diseases remain mostly unknown. In 1990s, a new strain of the bacterium Mycoplasma gallisepticum (MG), a horizontally transmitted, economically important pathogen of poultry, caused in the eastern United States an epidemic in a new host, a small songbird, the house finch (Haemorhous mexicanus). The infection causes inflammation of the periorbital lymphatic tissue (mycoplasma conjunctivitis). The epidemic has been gradually spreading westwards, resulting in some areas of the US in a local decline of up to 60% in house finch abundance. Now populations on the west coast of North America are also affected, while immunologically naive isolated populations still survive, for example, on the Hawaiian Islands. In areas of contact, MG exerts strong selection pressure on its host. Recent results we obtained in collaboration with our American colleagues indicate that the house finch is gradually adapting to MG. Contrary to expectations, however, the birds increase their tolerance to infection, not resistance as predicted by the arms-race model. Therefore, populations adapted to MG suffer less from the disease (develop less skin lesions) at the same bacterial loads. In coevolution, the pathogen responds to this with stronger virulence, which contributes to its transmission. Our American colleagues have access to house finch individuals from different populations, and also viable historical isolates of MG (from the 1990s as well as recent) available for infection experiments. This is a unique host-pathogen model system that allows us to describe the general immunological mechanisms of the host evolutionary adaptation to a new, highly virulent disease. This focus is now key to future development in epidemiology of infectious diseases. The aims of the doctoral project are:
1) To describe the temporal dynamics of gene expression changes during mycoplasma conjunctivitis in the house finch, using transcriptomic data from conjunctiva and other tissues.
2) On the basis of these findings, create a sterile immunological model of the disease, which we will use to identify the key regulatory genes responsible for the tolerance adaptation to MG.
3) To experimentally verify the immunological effects of knocking down the key candidate molecules regulating the strength of conjunctivitis in the finches.
4) To map the variation in sequence and expression of selected inflammation-regulating genes among the populations of house finch differing in their coevolutionary histories with MG (Virginia, Iowa, Arizona, and Hawaii – a unique dataset is available for our research).
5) With the help of our experimental model, to determine the differences in the immune effects of single, chronic and repeated contact with the pathogen, which can strongly influence the outcome of the evolutionary interaction of the house finch with MG.
This project is innovative in its interdisciplinary application of the modern -omics approaches and also in bridging the traditionally divided disciplines into evolutionary immunology, directing a new focus of infection biology.