Μοριακή μελέτη των αλληλεπιδράσεων του συμβιωτικού βακτηρίου Wolbachia με τους ξενιστές του

Abstract

Symbiotic bacteria are widespread in higher eukaryotes (plants and animals, including human) developing relationships from parasitism to mutualism. Wolbachia (a-Proteobacteria, Rickettsiales) are obligatory intracellular and maternally inherited bacteria which mainly infect arthropods as reproductive parasites (causing cytoplasmic incompatibility, parthenogenesis, feminization, male killing) as well as filarial nematodes, where they establish mutualistic symbiotic associations. Wolbachia strains are clustered in the 7 supergroups A, B, C, D, E, F and H. Recent studies estimate that up to 76% of all insects (an estimated 3-5 million species)- the insects constitute the most speciose group in the animal kingdom - are likely infected with the bacterium, rendering Wolbachia the most widespread symbiotic bacterium on Earth. The aims of the current research efforts are: (a) to study the contribution of Wolbachia in evolutionary processes (mainly in speciation processes, i.e. the maintenance and increase of biodiversity) and (b) to develop and use Wolbachia-based biotechnological and environmentally friendly approaches for the control of insect pests and diseases. To achieve these goals, the following important questions have to be addressed: (a) how do Wolbachia escape the host immune response? (b) how do Wolbachia establish a new ecological niche in host cells that allows its proliferation? (c) how do Wolbachia take up nutritients from the host and remove waste products? and (d) how do Wolbachia manipulate host reproduction, inducing cytoplasmic incompatibility, parthenogenesis, feminization and male killing, for their own benefit? In order to answer these questions, molecular biology approaches were undertaken to study surface proteins, ankyrins, the type IV secretion system (T4SS) and prophage elements of Wolbachia. The comparative study encompassed eleven different symbiotic associations. The most important findings of the present PhD thesis are: (a) WspB (a Wolbachia surface protein) probably induces programmed cell death, a mechanism used by many bacterial pathogens in order to infect and avoid host immune responses, (b) the clarification of the role of WO-B bacteriophage in the biology of bacterium and the confirmation of the negative correlation theory of bacteriophage-Wolbachia in insect symbiotic associations and (c) the ankyrins WRi_001790, WRi_006740, WRi_006810 and WRi_006860 are probably involved in the mechanism of cytoplasmic incompatibility and, consequently, in reproductive isolation and speciation phenomena. In other words, ankyrins probably are the catalytic factors for insects exhibiting very high levels of biodiversity and consequently being the most specious animal group.

Τα συμβιωτικά βακτήρια είναι ευρέως διαδεδομένα σε όλες τις τάξεις των ανώτερων οργανισμών (φυτών, ζώων συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου) αναπτύσσοντας σχέσεις που ξεκινούν από τον παρασιτισμό έως και την αμοιβαία συμβίωση. Η Wolbachia (α-Πρωτεοβακτήρια, Rickettsiales) είναι ένα υποχρεωτικά ενδοκυττάριο και μητρικά κληρονομούμενο βακτήριο που απαντά στα αρθρόποδα κυρίως ως αναπαραγωγικό παράσιτο (προκαλώντας κυτταροπλασματική ασυμβατότητα, παρθενογένεση, θηλυκοποίηση, θανάτωση των αρσενικών) καθώς και σε μια ομάδα νηματωδών όπου αναπτύσσει σχέσεις αμοιβαίας συμβίωσης. Τα στελέχη της Wolbachia χωρίζονται σε 7 υπερομάδες Α,Β, C, D, E, F και H. Πρόσφατες μελέτες εκτιμούν ότι έως και 76% όλων των ειδών εντόμων (δηλαδή 3-5 εκατομμύρια είδη) - τα έντομα αποτελούν την πιο πολυπληθή σε αριθμό ειδών ομάδα του ζωικού βασιλείου - είναι πιθανά μολυσμένα με το βακτήριο καθιστώντας τη Wolbachia τον πιο διαδεδομένο συμβιωτικό οργανισμό στον πλανήτη Γη. Ο στόχος των τρεχόντων ερευνητικών προσπαθειών είναι διπλός: (α) η μελέτη της συμβολής της Wolbachia σε διαδικασίες ειδογένεσης (και κατά συνέπεια στη διατήρηση και αύξηση της βιοποικιλότητας) και (β) στην χρησιμοποίηση της Wolbachia για την ανάπτυξη νέων βιοτεχνολογικών μεθόδων, φιλικών προς το περιβάλλον, για τον έλεγχο επιβλαβών ειδών εντόμων και ασθενειών με στόχο τον περιορισμό ή/και την εξάλειψη της χρήσης χημικών εντομοκτόνων και φαρμάκων. Για την επίτευξη αυτών των στόχων, πρέπει να απαντηθούν σημαντικά ερωτήματα όπως: (α) πώς καταφέρνει το βακτήριο Wolbachia και διαφεύγει από το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή; (β) πώς δημιουργεί ένα νέο οικολογικό θώκο σε είδη ξενιστές που του επιτρέπει τον πολλαπλασιασμό του; (γ) πώς προσλαμβάνει θρεπτικά στοιχεία από τον ξενιστή και αποβάλει άχρηστες ουσίες; και (δ) πώς μέσα από αυτόν τον οικολογικό θώκο χρησιμοποιεί το αναπαραγωγικό σύστημα του ξενιστή προς όφελος του επάγοντας μία σειρά από ενδιαφέροντες αναπαραγωγικούς φαινοτύπους όπως κυτταροπλασματική ασυμβατότητα, παρθενογένεση, θηλυκοποίηση και θανάτωση αρσενικών ατόμων; Για να απαντηθούν τα ερωτήματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι μοριακής βιολογίας για τη μελέτη των επιφανειακών πρωτεϊνών, των αγκυρινών, του εκκριτικού συστήματος τύπου IV (Τ4SS) και των βακτηριοφάγων, που υπάρχουν στο γονιδίωμα της Wolbachia. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε διαφορετικές συμβιωτικές σχέσεις με σκοπό τη διαλεύκανση της εγκαθίδρυσης των συμβιωτικών σχέσεων του βακτηρίου με τους ξενιστές του. Τα σημαντικότερα ευρήματα της παρούσας διατριβής είναι: (α) η επιφανειακή πρωτείνη WspB πιθανά επάγει προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο, ένα μηχανισμό που χρησιμοποιούν πολλά βακτήρια για να αποφύγουν το ανοσοποιητικό σύστημα των ξενιστών τους, (β) η διαλεύκανση του ρόλου του βακτηριοφάγου WO-B στη βιολογία του βακτηρίου και η επέκταση της θεωρίας της αρνητικής συσχέτισης βακτηριοφάγου-Wolbachia στις συμβιωτικές σχέσεις εντόμων-Wolbachia, (γ) οι αγκυρίνες WRi_001790, WRi_006740, WRi_006810 και WRi_006860 πιθανά σχετίζονται με το μηχανισμό της κυτταροπλασματικής ασυμβατότητας και κατ’ επέκταση με φαινόμενα αναπαραγωγικής απομόνωσης και ειδογένεσης. Με άλλα λόγια οι αγκυρίνες πιθανά αποτελούν τον καταλυτικό παράγοντα για τον μεγάλο αριθμό ειδών (υψηλά επίπεδα βιοποικιλότητας) που απαντούν στα έντομα.