Interakcje drobnoustrojów gospodarza w Caenorhabditis elegans

Mikrografia elektronowa Caenorhabditis elegans .jpg

Caenorhabditis elegans — interakcje drobnoustrojów definiuje się jako wszelkie interakcje obejmujące kontakt z drobnoustrojami, które czasowo lub na stałe żyją w nicieniu C. elegans lub na nim. Drobnoustroje mogą wchodzić w komensalne , wzajemne lub patogenne interakcje z gospodarzem. Należą do nich interakcje bakteryjne, wirusowe, jednokomórkowe organizmy eukariotyczne i grzyby. W naturze C. elegans jest siedliskiem różnorodnych drobnoustrojów. W przeciwieństwie do C. elegans szczepy, które są hodowane w laboratoriach do celów badawczych, utraciły naturalnie związane społeczności mikrobiologiczne i są zwykle utrzymywane na jednym szczepie bakteryjnym, Escherichia coli OP50. Jednak E. coli OP50 nie pozwala na odwrotne badania genetyczne, ponieważ biblioteki RNAi zostały wygenerowane tylko w szczepie HT115. Ogranicza to możliwość badania wpływu bakterii na fenotypy gospodarza. Interakcje drobnoustrojów gospodarza C. elegans są dokładnie badane ze względu na ich ortologi u ludzi. Dlatego im lepiej rozumiemy interakcje gospodarza C. elegans tym lepiej możemy zrozumieć interakcje żywiciela w ludzkim ciele.

Ekologia naturalna

Brak równowagi między naszą wiedzą o biologii C. elegans zdobytą dzięki odkryciom laboratoryjnym a ekologią naturalną C. elegans

C. elegans jest organizmem modelowym o ugruntowanej pozycji w różnych dziedzinach badań, jednak jego ekologia jest słabo poznana. Mają krótki cykl rozwoju, trwający tylko trzy dni, przy całkowitej długości życia około dwóch tygodni. C. elegans był wcześniej uważany za nicienie żyjące w glebie, ale w ciągu ostatnich 10 lat wykazano, że naturalne siedliska C. elegans są bogate w drobnoustroje, takie jak hałdy kompostu, zgniły materiał roślinny i zgniłe owoce. Większość badań nad C. elegans oparte są na szczepie N2, który zaadaptował się do warunków laboratoryjnych. Dopiero w ciągu ostatnich kilku lat naturalna ekologia C. elegans była badana bardziej szczegółowo, a jednym z aktualnych zainteresowań badawczych jest jej interakcja z drobnoustrojami. Ponieważ C. elegans żywi się bakteriami ( mikrobiożernymi ), jelita robaków wyizolowanych ze środowiska naturalnego są zwykle wypełnione dużą liczbą bakterii. W przeciwieństwie do bardzo dużej różnorodności bakterii w naturalnym środowisku C. elegans , szczepy laboratoryjne są karmione tylko jednym szczepem bakteryjnym, pochodną Escherichia coli OP50. OP50 nie był współizolowany z C. elegans z natury, ale był raczej używany ze względu na dużą wygodę w utrzymaniu laboratorium. Wybielanie jest powszechną w laboratorium metodą oczyszczania C. elegans z zanieczyszczeń i synchronizacji populacji robaków. Podczas wybielania robaki traktuje się 5N NaOH i domowym wybielaczem , co prowadzi do śmierci wszystkich robaków i przetrwania tylko jaj nicieni. Larwy wykluwające się z tych jaj nie mają żadnych drobnoustrojów, ponieważ żaden ze znanych obecnie drobnoustrojów związanych z C. elegans nie może być przenoszony pionowo . Ponieważ większość szczepów laboratoryjnych jest utrzymywana w tych gnotobiotycznych warunkach, nic nie wiadomo o składzie mikroflory C. elegans . Ekologię C. elegans można w pełni zrozumieć jedynie w świetle wielorakich interakcji z mikroorganizmami, z którymi spotyka się na wolności. Wpływ drobnoustrojów na C. elegans może być różny, od korzystnego do śmiertelnego.

Korzystne drobnoustroje

W swoim naturalnym środowisku C. elegans nieustannie ma do czynienia z różnymi bakteriami, które mogą mieć zarówno negatywny, jak i pozytywny wpływ na jego kondycję. Do tej pory większość badań nad C. elegans a drobnoustrojami koncentrowała się na interakcjach z patogenami. Dopiero niedawno niektóre badania dotyczyły roli bakterii komensalnych i wzajemnych w C. elegans . W tych badaniach C. elegans był narażony na działanie różnych bakterii glebowych, wyizolowanych w innym kontekście lub ze szczepów laboratoryjnych C. elegans przeniesionych do gleby. Bakterie te mogą wpływać na C. elegans albo bezpośrednio poprzez określone metabolity, albo mogą powodować zmianę warunków środowiskowych, a tym samym indukować reakcję fizjologiczną u gospodarza. Dobroczynne bakterie mogą mieć pozytywny wpływ na długość życia, generować odporność na określone patogeny lub wpływać na rozwój C. elegans .

Przedłużenie żywotności

Pseudomonas

Żywotność C. elegans jest przedłużona, gdy rosną na płytkach z Pseudomonas sp. lub Bacillus megaterium w porównaniu z osobnikami żyjącymi na E.coli . Wydłużenie życia, w którym pośredniczy B. megaterium, jest większe niż to powodowane przez Pseudomonas sp. . Jak ustalono za pomocą analizy mikromacierzy (metoda, która pozwala na identyfikację C. elegans , które ulegają różnej ekspresji w odpowiedzi na różne bakterie), 14 genów obrony immunologicznej uległo zwiększeniu, gdy C. elegans był hodowany na B. megaterium , podczas gdy tylko dwa były regulowane w górę, gdy były karmione Pseudomonas sp. Oprócz genów obrony immunologicznej, inne regulowane w górę geny biorą udział w syntezie kolagenu i innych składników naskórka , co wskazuje, że naskórek może odgrywać ważną rolę w interakcji z drobnoustrojami. Chociaż wiadomo, że niektóre geny są ważne dla C. elegans , dokładne mechanizmy leżące u ich podstaw wciąż pozostają niejasne.

Ochrona przed drobnoustrojami

Uznano, że społeczności drobnoustrojów zamieszkujące organizm gospodarza są ważne dla skutecznej odpowiedzi immunologicznej. Jednak mechanizmy molekularne leżące u podstaw tej ochrony są w dużej mierze nieznane. Bakterie mogą pomóc gospodarzowi w walce z patogenami, bezpośrednio stymulując odpowiedź immunologiczną lub konkurując z bakteriami chorobotwórczymi o dostępne zasoby. że w C. elegans niektóre powiązane bakterie wytwarzają ochronę przed patogenami. Na przykład, gdy C. elegans rośnie na Bacillus megaterium lub Pseudomonas mendocina robaki są bardziej odporne na infekcję bakterią chorobotwórczą Pseudomonas aeruginosa [21], która jest bakterią pospolitą w naturalnym środowisku C. elegans , a zatem potencjalnym naturalnym patogenem. Ochrona ta charakteryzuje się przedłużonym przeżyciem na P. aeruginosa w połączeniu z opóźnioną kolonizacją C. elegans przez patogen. Ze względu na stosunkowo duże rozmiary B. megaterium nie jest optymalnym źródłem pożywienia dla C. elegans , co skutkuje opóźnionym rozwojem i zmniejszonym tempem reprodukcji. Zdolność , że B. megaterium w celu zwiększenia odporności na infekcję P. aeruginosa wiąże się ze spadkiem tempa reprodukcji. Jednak ochrona przed P. aeruginosa zapewniana przez P. mendocina jest niezależna od reprodukcji i zależy od szlaku kinazy białkowej aktywowanej mitogenem p38 . P. mendocina jest w stanie aktywować szlak p38 MAPK, a tym samym stymulować odpowiedź immunologiczną C. elegans przeciwko patogenowi. Powszechnym sposobem ochrony organizmu przed drobnoustrojami jest wzrost zapłodnienia w celu zwiększenia liczby osobników, które przeżyły atak. Ta obrona przed pasożytami jest genetycznie powiązana ze ścieżkami odpowiedzi na stres i zależy od wrodzonego układu odpornościowego.

Wpływ na rozwój

Caenorhabditis elegans późny rozwój embrionalny

W warunkach naturalnych korzystne może być dla C. elegans jak najszybszy rozwój, aby móc szybko się rozmnażać. Bakteria Comamonas DA1877 przyspiesza rozwój C. elegans . Ani TOR (cel rapamycyny), ani sygnalizacja insulinowa nie wydają się pośredniczyć w tym wpływie na przyspieszony rozwój. Jest zatem możliwe, że wydzielane metabolity Comamonas , które mogą być wyczuwane przez C. elegans , prowadzą do szybszego rozwoju. Robaki karmione Comamonas DA1877 wykazał również zmniejszoną liczbę potomstwa i skróconą długość życia. Innym drobnoustrojem przyspieszającym wzrost C. elegans jest L. sphaericus. Bakteria ta znacznie zwiększyła tempo wzrostu C. elegans w porównaniu z ich normalną dietą E. coli OP50. C. elegans są najczęściej hodowane i obserwowane w kontrolowanym laboratorium z kontrolowaną dietą, dlatego mogą wykazywać zróżnicowane tempo wzrostu z naturalnie występującymi drobnoustrojami.

Mikroorganizmy chorobotwórcze

W swoim naturalnym środowisku C. elegans ma do czynienia z wieloma różnymi potencjalnymi patogenami. C. elegans był intensywnie używany jako organizm modelowy do badania interakcji żywiciel-patogen oraz układu odpornościowego. Badania te wykazały, że C. elegans ma dobrze funkcjonującą wrodzoną odporność immunologiczną . Pierwszą linią obrony jest niezwykle twardy naskórek, który stanowi zewnętrzną barierę przed inwazją patogenów. Ponadto kilka konserwatywnych szlaków sygnałowych przyczynia się do obrony, w tym DAF-2 / DAF-16 szlak receptora insulinopodobnego i kilka szlaków kinazy MAP , które aktywują fizjologiczne odpowiedzi immunologiczne. Wreszcie zachowanie polegające na unikaniu patogenów stanowi kolejną linię obrony immunologicznej C. elegans . Wszystkie te mechanizmy obronne nie działają niezależnie, ale wspólnie, aby zapewnić optymalną odpowiedź obronną przed patogenami. W warunkach laboratoryjnych stwierdzono, że wiele mikroorganizmów jest chorobotwórczych dla C. elegans . Aby zidentyfikować potencjalne C. elegans patogenów, robaki w stadium larwalnym L4 są przenoszone do pożywki zawierającej organizm będący przedmiotem zainteresowania, którym w większości przypadków jest bakteria. Patogeniczność organizmu można wywnioskować mierząc długość życia robaków. Istnieje kilka znanych ludzkich patogenów, które mają negatywny wpływ na C. elegans . Bakterie chorobotwórcze mogą również tworzyć biofilmy, których lepka matryca egzopolimerowa może utrudniać C. elegans i ukrywać chemoatraktanty wykrywające kworum bakteryjne przed wykryciem drapieżników. Jednak obecnie znanych jest tylko bardzo niewiele naturalnych patogenów C. elegans .

Drobnoustroje eukariotyczne

Jednym z najlepiej zbadanych naturalnych patogenów C. elegans jest microsporidium Nematocida parisii , który został bezpośrednio wyizolowany z dziko żyjących C. elegans . N. parisii jest pasożytem wewnątrzkomórkowym przenoszonym wyłącznie poziomo z jednego zwierzęcia na drugie. Zarodniki mikrosporydiów prawdopodobnie opuszczają komórki, niszcząc konserwowaną cytoszkieletu w jelicie, zwaną pajęczyną końcową. Wydaje się, że żaden ze znanych szlaków odpornościowych C. elegans bierze udział w pośredniczeniu w oporze przeciwko N. parisii . Mikrosporydia znaleziono w kilku nicieniach wyizolowanych z różnych miejsc, co wskazuje, że mikrosporydia są powszechnymi naturalnymi pasożytami C. elegans . System N. parisii - C. elegans stanowi bardzo przydatne narzędzie do badania mechanizmów infekcyjnych pasożytów wewnątrzkomórkowych. Ponadto niedawno odkryto nowy gatunek mikrosporydiów w dziko żyjącym C. elegans , który sekwencjonowanie genomu umieszcza w tym samym rodzaju Nematocida jak wcześniejsze mikrosporydia obserwowane u tych nicieni. Ten nowy gatunek został nazwany Nematocida displodere, na cześć fenotypu obserwowanego u późno zakażonych robaków, które eksplodują w sromie, uwalniając zakaźne zarodniki. Wykazano, że N. displodere infekuje szeroki zakres tkanek i typów komórek C. elegans , w tym naskórek, mięśnie, neurony, jelita, komórki szwu i koelomocyty. Co dziwne, większość infekcji jelitowych nie rozwija się do późniejszych stadiów pasożyta, podczas gdy infekcja mięśni i naskórka rozwija się. Stanowi to wyraźny kontrast z N. parisii który infekuje i kończy cały swój cykl życiowy w jelicie C. elegans . Te pokrewne Nematocida są wykorzystywane do badania mechanizmów żywiciela i patogenu odpowiedzialnych za umożliwienie lub zablokowanie wzrostu pasożytów eukariotycznych w różnych niszach tkankowych. Innym patogenem eukariotycznym jest grzyb Drechmeria coniospora , który nie został bezpośrednio współwyizolowany z C. elegans z natury, ale nadal jest uważany za naturalny patogen C. elegans . D. coniospora przyczepia się do naskórka robaka przy sromie, ustach i odbycie, a jego strzępki penetrują naskórek. W ten sposób D. coniospora infekuje robaka z zewnątrz, podczas gdy większość patogenów bakteryjnych zaraża robaka ze światła jelita.

Patogeny wirusowe

W 2011 roku pierwszy naturalnie związany wirus został wyizolowany z C. elegans znalezionego poza laboratorium. Wirus Orsay jest wirusem RNA, który jest blisko spokrewniony z nodawirusami . Wirus nie jest stabilnie zintegrowany z genomem gospodarza. Jest przenoszony poziomo w warunkach laboratoryjnych. przeciwwirusowy RNAi jest niezbędny dla odporności C. elegans na infekcję wirusem Orsay. Do tej pory nie było wirusa, innych patogenów wewnątrzkomórkowych ani pasożytów wielokomórkowych, które mogłyby wpływać na nicienie. Z tego powodu nie możemy korzystać C. elegans jako system eksperymentalny dla tych oddziaływań. W 2005 roku dwa raporty wykazały, że wirus pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej (VSV), arbowirus z wieloma żywicielami bezkręgowców i kręgowców, może replikować się w komórkach pierwotnych pochodzących z zarodków C. elegans.

Patogeny bakteryjne

Caenorhabditis elegans zakażone Bacillus thuringiensis

Dwa szczepy bakteryjne z rodzaju Leucobacter zostały wyizolowane z natury razem z dwoma gatunkami Caenorhabditis , C. briggsae i C. n. spp 11 i nazwane Verde 1 i Verde 2. Te dwa szczepy Leucobacter wykazywały kontrastujące efekty patogenne w C. elegans . Robaki zakażone Verde 2 wytwarzały zdeformowany obszar odbytu (fenotyp „Dar”), podczas gdy infekcje Verde 1 powodowały wolniejszy wzrost z powodu pokrycia naskórka szczepem bakteryjnym. W płynnej hodowli robaki zakażone Verde 1 sklejały się ogonami i tworzyły tak zwane „gwiazdy robaków”. Uwięzione robaki nie mogą się uwolnić i ostatecznie umierają. Po śmierci C. elegans jest następnie wykorzystywana jako źródło pożywienia dla bakterii. Wydaje się, że tylko larwy w stadium L4 są w stanie uciec przez autotomię . Dzielą swoje ciała na pół, aby przednia połowa mogła uciec. „Półrobaki” zachowują żywotność przez kilka dni. Gram-dodatnia bakteria Bacillus thuringiensis jest prawdopodobnie związana z C. elegans w naturze. B. thuringiensis jest bakterią glebową, która jest często wykorzystywana w eksperymentach z zakażeniem C. elegans . Wytwarza toksyny tworzące zarodniki, zwane toksynami krystalicznymi (Cry), które są związane z zarodnikami. Są one wspólnie podejmowane przez C. elegans doustnie. Wewnątrz żywiciela toksyny wiążą się z powierzchnią komórek jelitowych, gdzie indukowane jest tworzenie się porów w komórkach jelitowych, powodując ich zniszczenie. Wynikająca z tego zmiana środowiska w jelicie prowadzi do kiełkowania zarodników, które następnie rozmnażają się w ciele robaka. Aspektem C. elegans - B. thuringiensis jest duża zmienność patogeniczności między różnymi szczepami. Istnieją szczepy wysoce zjadliwe, ale także szczepy mniej lub nawet niepatogenne.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Host_microbe_interactions_in_Caenorhabditis_elegans&oldid=1138655635 ”