Zoologie
Final Report Abstract
Insekten besitzen ein gut funktionierendes Immunsystem, das sie vor vielen verschiedenartigen Krankheitserregern schützt. Viele Insekten leben allerdings in diversen ökologischen Nischen und zudem oft in enger Symbiose mit Mikroorganismen. Dabei ist noch wenig untersucht, wie sich Immunreaktionen verschiedener Insektenarten unterscheiden. Unsere Arbeiten zielten darauf hin, Einsichten in die Abwehrmechanismen einiger ausgewählter Nicht-Model-Insektenarten zu erhalten, um diese und ähnliche Fragen zu adressieren. Im Einzelnen sollten die Immunabwehrmechanismen der Blattläuse (Hemiptera, Aphididae; Acyrthosiphon pisum und Myzus persicae) im Vergleich zu denen des Käfers Tribolium castaneum (Coleoptera, Tenebrionidae) und der Wachsmotte Galleria mellonella (Lepidoptera, Pyralidae) untersucht werden. Ein gewisser Fokus lag bei unseren Studien auf den Blattläusen, da sie nicht nur von sehr großer agrar-ökonomischer Bedeutung sind, sondern auch ein wichtiges Modellsystem zur Untersuchung molekularer Mechanismen darstellen, die die obligate und fakultative Symbiose mit Bakterien, die sexuelle und asexuelle Vermehrung oder die Ausbildung von Insektizid-Resistenzen kontrollieren. Wir konnten unter anderem nachweisen, dass Blattläuse verglichen mit anderen Insekten eine signifikant reduzierte transkriptionelle und proteomische Immunantwort aufweisen. Zudem konnten wir zelluläre Immunreaktionen in Blattläusen nachweisen, die sich jedoch als nicht besonders effektiv gegen einige getestete Pathogene erwiesen. Allerdings konnten wir unter anderem ein immuninduzierbares Blattlaus-RlpA6-Gen identifizieren, das wahrscheinlich ursprünglich aus Pilzen stammt und Teil einer alternativen, blattlausspezifischen Immunreaktion sein könnte. Die Untersuchung seiner Funktionen in der Interaktion mit pathogenen aber auch symbiotischen Bakterien ist Teil unserer aktuellen Studien. Eine reduzierte bzw. abgeleitete Blattlaus-Immunabwehr könnte eine Folge ihrer spezifischen Lebensweise sein. So vermögen Blattläuse mit einer Vielzahl von Bakterienarten Symbiosen einzugehen, die in einigen Fällen sogar eine erhöhte Resistenz gegen pathogene Pilze vermitteln können. In diesem Zusammenhang konnten auch wir nachweisen, dass die symbiotischen Enterobakterien Regiella insecticola signifikant die Resistenz der Blattläuse gegen das blattlausspezifische Pathogen Zoophthora occidentalis erhöhen. Interessanterweise scheinen Blattläuse während ihrer Evolution eine ganze Reihe von Genen aus verschiedenen symbiontischen Mikroorganismen in ihr Genom aufgenommen zu haben. Darunter befinden sich Gene für die Biosynthese von Carotinoiden, die für die Farbpolymorphismen der Blattläuse verantwortlich sind. Diese Polymorphismen haben direkten Einfluss auf die ökologischen Interaktionen mit parasitoidischen Wespen und Prädatoren. Wir konnten nachweisen, dass auch Tetranychus urticae in ähnlicher Weise wie Blattläuse Carotinoid-Biosynthese-Gene in ihr Genom aufgenommen haben, die zudem entwicklungsspezifisch exprimiert werden. In T. castaneum konnten wir mit Hilfe der sog. Gesamt-Transkriptom-Analyse (RNAseq) die Immunantworten des Käfers im Detail untersuchen. Überraschend war die Erkenntnis, dass Käfer-Immunsignalwege scheinbar komplexer reguliert werden als die der Taufliegen, da sowohl eine größere Anzahl an immun-regulierbaren Toll-Rezeptor-Genen als auch deren potentiellen Liganden, den so genannten Spätzle-Proteinen, nachweisbar waren. In G. mellonella konnten wir nachweisen, dass die Integrin-Binde-Aminosäuresequenz ‚RGDS’ das sog. Danger-Signaling aktivieren. Unsere Gesamttranskriptomanalyse der Wachsmotte bringt uns zudem in die Lage, genetische Arbeiten zur Untersuchung von Pathogenitätsmechanismen von medizinisch-relevanten Pathogenen in G. mellonella durchzuführen. Zusammenfassend geben unsere Ergebnisse neue Einblicke in die Immunobiologie verschiedener Insektenarten. Die Charakterisierung unterschiedlicher oder evolutionär konservierter Mechanismen der Pathogenabwehr in verschiedenen Insekten wird uns sicher helfen, ihre Evolution, die ihrer Krankheitserreger und wo vorhanden auch ihrer mutualistischen Symbionten in Zukunft besser zu verstehen.
Publications
- 2010. Genome Sequence of the Pea Aphid Acyrthosiphon pisum. PLOS Biol. 8:e1000313
The International Aphid Genomics Consortium (including B. Altincicek)
- 2010. Immunity and other defenses in pea aphids, Acyrthosiphon pisum. Genome Biol. 11:R21
Gerardo NM, Altincicek B, Anselme C, Atamian H, Barribeau SM, de Vos M, Duncan EJ, Evans JD, Gabaldón T, Ghanim M, Heddi A, Kaloshian I, Latorre A, Moya A, Nakabachi A, Parker BJ, Pérez-Brocal V, Pignatelli M, Rahbé Y, Ramsey JS, Spragg CJ, Tamames J, Tamarit D, Tamborindeguy C, Vincent-Monegat C, Vilcinskas A
- 2011. A comprehensive transcriptome and immune-gene repertoire of the lepidopteran model host Galleria mellonella. BMC Genomics 12: 308
Altincicek, B., H. Vogel, G. Glockner, A. Vilcinskas
- 2011. Escherichia coli K-12 pathogenicity in the pea aphid, Acyrthosiphon pisum, reveals reduced antibacterial defense in aphids. Dev Comp Immunol. 35: 1091-7
Altincicek B., B. ter Braak, A. M. Laughton, K. I. Udekwu, N. M. Gerardo
- 2012. Horizontally-transferred fungal carotenoid genes in the two-spotted spider mite Tetranychus urticae. Biol Letters. 8: 253- 7
Altincicek B., J. L. Kovacs, N. M. Gerardo
(See online at https://doi.org/10.1098/rsbl.2011.0704) - 2013. Next generation sequencing based transcriptome analysis of septic-injury responsive genes in the beetle Tribolium castaneum. PLOS ONE 8: e52004
Altincicek B., A. Elashry, N. Guz, F.M.W. Grundler, A. Vilcinskas, H.-W. Dehne
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0052004)
