Immunity of cheetahs (Acinonyx jubatus): an evolutionary, comparative and life history perspective

Abstract

The cheetah (Acinonyx jubatus, family: Felidae order: Carnivora) was once widely distributed across Africa and Asia but has been extirpated from a large portion of this area. Major threats are considered to be habitat loss and fragmentation, competition with other carnivore species, their killing as livestock predators and high disease susceptibility associated with low genetic diversity. Low genetic diversity may result in populations being more vulnerable to new pathogens, especially if the immune genes of the major histocompatibility complex (MHC) are affected. Cheetahs have been described as a classic example for the negative consequences of genetic uniformity in the MHC in numerous textbooks on conservation genetics and in scientific publications. A recent study using single-strand conformation polymorphism analysis has confirmed earlier studies and reported low genetic diversity at MHC class I and MHC class II in cheetahs. However, high disease susceptibility has only been reported for captive cheetahs, whereas free-ranging cheetahs exhibit a good overall health status. Whether low genetic diversity at the MHC is of relevance for the conservation of the cheetah has been controversially discussed. This thesis has been designed to examine the immunological architecture of the cheetah and assess its immune parameters both in comparison with other sympatric carnivore species (chapter 2 and 3) as well as a function of life history attributes and its living environment (chapter 4). This thesis is embedded in a long-term research project on cheetahs in central Namibia, through which blood samples from approximately 400 cheetahs and other carnivore species were collected since 2002 and made available for this study. In chapter 2 I compare the constitutive innate immune part of six sympatric African carnivore species using a functional test, the bacterial killing assay (BKA). To compare different species, I first adapted the classical BKA protocol in such a way that the same dilutions and bacterial concentrations could be applied to all species. I demonstrated that feline species had a constitutive innate immune response of at least one magnitude higher than those of canine species. Cheetahs and caracals (Caracal caracal) had a higher bacterial killing capacity than the other four carnivore species studied and also than species of other taxa which had been investigated in previous studies. In chapter 3 I compare six humoral immune parameters of the cheetah to those of the sympatric leopard (Panthera pardus), which exhibits the highest genetic diversity amongst felines, including the MHC. The strength of the constitutive innate immune system was higher in cheetahs than in leopards. In contrast, leopards exhibited a stronger induced innate and adaptive immune system than cheetahs. These results suggest different immune investment strategies employed by the two species, possibly as a consequence of the differences in MHC diversity in the two species. My analyses indicate that the immune system of the cheetah might not be as impaired by the low genetic diversity as has been previously suggested. In chapter 4 I study how different factors such as age, sex and pathogen pressure influence six immune parameters in cheetahs. Additionally, I evaluate the influence of handlingassociated allostatic load ("stress") on these immune parameters. I link the measured differences to the underlying energetic costs of the immune system, which may change during different life history stages. Male cheetahs showed a stronger constitutive innate immune response than female cheetahs. Older animals had higher concentrations of immunoglobulin G (IgG) antibodies but lower concentrations of complement than younger animals. Cheetahs in captivity experienced higher pathogen pressure than free-ranging cheetahs because of the proximity to people, their companion animals and other cheetahs. Cheetahs in captivity had higher concentrations of IgG antibodies than free-ranging individuals in the same habitat. Free-ranging cheetahs had higher values of handling-associated allostatic load, as measured by glucocorticoid concentrations, than cheetahs kept in captivity and in the proximity of people in the same habitat. I demonstrated that three of six immune parameters were influenced by stress parameters, suggesting that allostatic load needs to be taken into account when evaluating immunity in cheetahs. In summary, this study compares (1) one part of the immune system of the cheetah with several sympatric species, (2) six immune parameter in cheetahs and sympatric leopards and (3) six immune parameters between different age classes, sexes and pathogen pressures in cheetahs, and estimates allostatic load as a possible factor influencing immunocompetence. Altogether, this makes this study one of the most comprehensive studies on the immune system of a free-ranging wild mammal.

Geparde (Acinonyx jubatus, Familie: Felidae, Ordnung: Carnivora) waren einst weit verbreitet in Afrika und Asien, wurden aber in weiten Teilen ausgerottet. Als Hauptgefährdungsfaktoren gelten Verlust und Fragmentierung des Lebensraumes, Konkurrenz durch andere Karnivorenarten, Tötung aufgrund der Bedrohung von Nutztierbeständen und eine hohe Anfälligkeit für Krankheiten, die in Zusammenhang mit geringer genetischer Vielfalt steht. Geringe genetische Vielfalt kann Populationen angreifbarer für neue Pathogene machen, vor allem wenn die geringe genetische Vielfalt auch im Bereich der Immungene des Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) auftritt. Geparde gelten als klassisches Beispiel für die negativen Auswirkungen genetischer Uniformität, welches in vielen Lehrbüchern über den genetischen Artenschutz sowie in zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen genannt wird. Eine kürzlich veröffentlichte Studie bestätigte mit der single-strand conformation polymorphismus analysis frühere Studien und wies eine geringe genetische Vielfalt im Bereich von MHC Klasse I und Klasse II nach. Eine hohe Empfänglichkeit für Krankheiten wurde jedoch bisher nur für in menschlicher Obhut gehaltene Geparde nachgewiesen, wohingegen freilebende Geparde einen guten Gesundheitszustand aufweisen. Es ist stark umstritten, ob die geringe Vielfalt im MHC ein Problem für die Arterhaltung des Gepards ist. Diese Dissertation wurde durchgeführt, um einen Einblick in das Immunsystem der Geparde zu gewinnen und betrachtet dessen Immunparameter sowohl im Vergleich zu denen anderer, im gleichen Gebiet lebender (sympatrischer) Karnivorenarten (Kapitel 2 und 3), als auch als Funktion verschiedener lebensgeschichtlicher Attribute und Lebensumstände (Kapitel 4). Die Arbeit ist eingebettet in ein Langzeit-Forschungsprojekt von Geparden in Zentralnamibia, in dessen Rahmen seit 2002 Blutproben von etwa 400 Geparden und anderen Karnivorenarten gesammelt wurden, die für diese Arbeit zur Verfügung standen. In Kapitel 2 vergleiche ich den konstitutiven angeborenen Teil des Immunsystems zwischen sechs sympatrischen afrikanischen Karnivorenarten mit einem funktionalen Test, dem bacterial killing assay (BKA). Um verschiedene Arten vergleichen zu können, adaptierte ich zunächst das gängige Protokoll des BKAs so, dass die gleiche Bakterienkonzentration und gleichen Plasmaverdünnungen für alle Arten verwendet werden konnten. Es zeigte sich, dass die konstitutive angeborene Immunantwort von Katzenartigen (Felidae) mindestens eine Größenordnung stärker war als die von Hundeartigen (Canidae). Geparde und Karakale (Caracal caracal) hatten die stärkste konstitutive angeborene Immunantwort im Vergleich zu den anderen vier untersuchten Karnivorenarten und Arten anderer Gattungen, die in früheren Studien untersucht wurden. In Kapitel 3 vergleiche ich sechs Parameter des humoralen Immunsystems von Geparden mit denen sympatrisch lebender Leoparden (Panthera pardus), die unter Katzen die größte genetische Vielfalt, auch im MHC Bereich, aufweisen. Ich konnte zeigen, dass die konstitutive angeborene Immunantwort bei Geparden stärker ist als bei Leoparden. Andererseits verfügten Leoparden über eine stärkere induzierte angeborene, sowie eine stärkere adaptive Immunantwort als Geparde. Diese Ergebnisse deuten auf unterschiedliche Strategien der beiden Arten in Bezug auf die Investition in verschiedene Bereiche des Immunsystems hin, die möglicherweise mit der unterschiedlichen Vielfalt im MHC der beiden Arten zusammenhängen. Zudem zeigt diese Studie, dass das Immunsystem der Geparde von der geringen genetischen Vielfalt nicht so stark beeinträchtigt zu sein scheint, wie bisher vermutet wurde. In Kapitel 4 untersuche ich den Einfluss verschiedener Faktoren, wie Alter, Geschlecht und Pathogendruck auf sechs Immunparameter von Geparden. Zusätzlich untersuche ich den Einfluss der allostatischen Belastung ("Stress") bei der Untersuchung der unter Narkose gesetzten Tiere auf diese Immunparameter. Die gefundenen Unterschiede ordne ich den energetischen Kosten der einzelnen Immunparameter zu, die sich in unterschiedlichen Lebensphasen unterscheiden können. Männliche Tiere zeigten eine stärkere angeborene konstitutive Immunantwort als weibliche Tiere. Ältere Tiere wiesen höhere Konzentrationen von Immunoglobulin G (IgG) Antikörpern auf aber niedrigere Konzentrationen von Komplementproteinen als jüngere Tiere. In menschlicher Obhut lebende Tiere sind durch ihre räumliche Nähe zu Menschen, deren Haustieren und zu anderen Artgenossen einem höheren Pathogendruck ausgesetzt als freilebende Tiere. Erstere wiesen höhere Konzentrationen von IgG Antikörpern als freilebende Geparde auf. Freilebende Tiere zeigten höhere Messwerte der Stressparameter (als Maß für die allostatische Belastung) bei der Untersuchung unter Narkose als in menschlicher Obhut lebende Tiere in Namibia. Drei der sechs Immunparameter wurden von der allostatischen Belastung beeinflusst. Dies bedeutet, dass Messungen der allostatischen Belastung wichtig sind, wenn das Immunsystem von Geparden evaluiert wird. Zusammenfassend vergleicht diese Arbeit 1) einen Teil des Immunsystems der Geparde mit dem mehrerer sympatrischer Karnivorenarten, 2) sechs Immunparameter bei Geparden und sympatrisch vorkommenden Leoparden und 3) sechs Immunparameter zwischen unterschiedlichen Altersgruppen, Geschlechtern und Pathogendrucke bei Geparden, und misst allostatische Belastung als mögliche Einflußgröße für Immunparameter. Damit ist diese Studie eine der umfassendsten Studien des Immunsystems bei einem freilebenden Wildtier.