The Vampire Bat Virome: Evolutionary Implications in an Immunological Context

Abstract

The adaptation of bats to different environments has resulted in the evolution of unique phenotypic and genotypic characteristics such as flight, echolocation and highly specialized diets. Bats have also been increasingly recognized as reservoirs for viruses which can cross species barriers. Among the Neotropical bats, vampire bats (Desmodontinae subfamily) are the only mammals that feed exclusively on the blood from other animals. Because of such an exceptional adaptation to hematophagy these species exhibit a unique set of behavioral, physiological, and morphological characteristics distinct among all other bats. The common vampire bat (Desmodus rotundus) is a known reservoir for rabies-causing lyssaviruses considered to be a major constraint on the cattle industry since bat-transmitted rabies is a primary problem in livestock from Latin America. Nonetheless, the presence of other viruses in this species has hardly been explored. Although bats can be persistently infected with many viruses, they rarely display clinical symptoms and it has been suggested that they might have evolved specific immune strategies to control viral replication. Toll like-receptors (TLRs) are a class of innate immune receptors considered to be the first-line defense mechanism against invading pathogens. The mammalian TLRs 3, 7, 8 and 9 play an important role in triggering acquired immunity as they are activated by nucleic acid ligands. TLRs are of interest from an evolutionary point of view since there is evidence that the ligand binding properties of these receptors may vary among different species thereby having an impact on the evolutionary ecology of infectious diseases. Thus, the analysis of the bat immune variation at a molecular level could reveal patterns of resistance or susceptibility to pathogens within different species and at different taxonomic levels. However, the study of the genetic variability of the immune system in bats has been restricted to a few species and to a few genes. The hypothesis that vampire bats carry viruses common to other mammals was tested based on the premise that their exclusive adaptation to hematophagy could have resulted in viral spill-over events among taxa throughout evolutionary history. Particular focus was made on Retroviruses, given that this viral group is primarily transmitted via body fluid exchange, and thus might have been particularly prone to jump between vampire bats and other taxa. A novel endogenous betaretrovirus (DrERV) was described with an evolutionary pattern that suggests multiple cross- species transmissions among different species throughout their evolutionary history. It was further hypothesized that given the unique adaptations within the Chiroptera, bats as a taxonomic group would have acquired distinctive mutations fixed within the nucleic-acid sensing TLRs with potential consequences on their ligand recognition properties. The nucleic acid sensing TLRs (3, 7, 8 and 9) of the common vampire bat were characterized and the genetic variation of these receptors within different bats species and among other mammals was compared by further testing for ongoing and episodic diversifying selection acting upon specific lineages. Our results provide evidence for potential functional differences between the bat and other mammalian TLRs in terms of recognition of foreign nucleic acids. This project was carried out in close collaboration with several European and Mexican institutions contributing to the development of research on emerging zoonotic diseases and wildlife surveillance.

Anpassungen von Fledermäusen an verschiedene Umgebungen haben zu der Entwicklung Die Anpassung von Fledermäusen an ihre Umwelt hat zu der Entwicklung von besonderen phänotypischen und genotypischen Eigenschaften wie Flugfähigkeit, Echoortung und spezifischen Ernährungsweisen geführt. Diese Anpassungen haben auch zur evolutionären Entwicklung potentieller Krankheitserreger beigetragen. So werden Fledermäuse zunehmend als Wirte für Viren erkannt, welche auch interspezifisch übertragen werden können. Unter den Fledermäusen der Neuen Welt sind die Vampirfledermäuse (Unterfamilie Desmodontinae) als die einzigen Säugetiere bekannt, die sich ausschließlich vom Blut anderer Tiere ernähren können. Wegen dieser ungewöhnlichen Anpassung an Hämatophagie, zeigen diese Arten besondere Eigenschaften in ihrem Verhalten, ihrer Physiologie und ihrer Morphologie, die sie von allen anderen Fledermausarten unterscheidet. Der Gemeine Vampir (Desmodus rotundus) ist ein bekannter Wirt für Tollwut-verursachende Lyssaviren und stellt eine große Einschränkung für die Rinderhaltung in Lateinamerika dar. Der Einfluss anderer Virentypen in dieser Art ist bisher kaum erforscht. Obwohl Fledermäuse dauerhaft von vielen Viren infiziert sein können, zeigen sie selten klinische Symptome. Es wird deshalb angenommen dass sie spezifische Immunstrategien entwickelt haben um die Virusreplikation zu kontrollieren. Die Toll like- receptors (TLRs) gehören zu den Immunrezeptoren, die als Bestandteil der primäreren Abwehrantwort gegen eindringende Pathogene angesehen werden. Abhängig von der Tierart unterscheidet man bis zu 13 verschiedene TLRs. Insbesondere die Nukleinsäure-bindenden TLRs 3, 7, 8 und 9 spielen eine wichtige Rolle in der erworbenen Immunreaktion, weil sie diese durch Liganden in Form von Nukleinsäuren aktivieren. Die TLRs sind aus evolutionsbiologischer Sicht besonders interessant, da die Bindungseigenschaften dieser Rezeptoren unter verschiedenen Tierarten variieren können und deshalb einen Einfluss auf die Evolutionsökologie von Infektionskrankheiten haben. Daher könnte die Analyse der Immunvariation bei Fledermäusen auf molekularer Ebene Resistenz- oder Anfälligkeitsmuster gegenüber Pathogenen innerhalb verschiedener Arten und auf unterschiedlichen taxonomischen Ebenen offenlegen. Bisher wurde die genetische Variabilität des Immunsystems von Fledermäusen nur bei wenigen Arten und Genen erforscht. Unserer Hypothese zur Folge könnten Vampirfledermäusen Viren in sich tragen, die auch in anderen Säugetieren vorkommen, da ihre Fähigkeit zur Hämatophagie zu einer Virusübertragung zwischen verschiedenen Taxa in der Evolutionsgeschichte geführt haben könnte. Beispielsweise werden Retroviren hauptsächlich über den Austausch von Körperflüssigkeiten übertragen, weswegen Viren dieser Gruppe leicht zwischen Vampirfledermäusen und Tieren andere Taxa übertragen werden können. Ziel unserer Arbeit war es, neue und bereits bekannte Retroviren in D. rotundus mit Hilfe molekularevolutionärer Methoden zu untersuchen, um interspezifische Übertragungen zu identifizieren. Wir konnten zeigen, dass ein neues endogenes Betaretrovirus (DrERV) in D. rotundus ein Evolutionsmuster aufweist, das auf mehrere interspezifische Übertragungen zwischen verschiedenen Taxa im Laufe der Stammesentwicklung hindeutet. Außerdem sind wir davon ausgegangen dass sich in Fledermäuse, auf Grund ihrer Anpassungen, spezielle Mutationen in den Nukleinsäure-bindenden TLRs fixiert haben, welche wahrscheinlich Auswirkungen auf die Bindungseigenschaften von Liganden haben. Wir haben die Nukleinsäure- bindenden TLRs 3, 7, 8 und 9 des Gemeinen Vampirs grundlegend untersucht und die genetischen Variationen dieser Rezeptoren innerhalb verschiedener Fledermausarten und anderen Säugetieren verglichen. Wir untersuchten ob sich die diversifizierende Selektion fortlaufend oder punktuell auf die Fledermaus- TLRs ausgewirkt hat, um das evolutionäre Muster über lange und kurze Zeiträume beschreiben zu können. Anschließende Analysen der Evolution auf molekularer Ebene ließen spezielle Anpassungsmuster bei den TLRs verschiedener Fledermausarten erkennen. Unsere Ergebnisse konnten außerdem funktionelle Unterschiede in den Bindungseigenschaften von wirtsfremden Nucleinsäuren zwischen den TLRs von Fledermäusen und denen anderer Säugetiere zeigen und lieferten somit entscheidende Hinweise über die Anpassung von Fledermäuse an Viren als potentielle Krankheitserreger. Dieses Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit einigen europäischen und mexikanischen Instituten durchgeführt, die zur Entwicklung von Forschungsbereichen wie Zoonosen und Wildtierüberwachung beitragen.