Eine von einem Team der University of Maryland geleitete Forschung hat den ersten Interspezies-Signalweg zwischen einem Arthropodenparasiten und einem Wirt identifiziert, bei dem Moleküle im Blut eines Wirtstiers die Immunität und Entwicklung eines Parasiten auslösen. Die Studie zeigte, dass sich Zecken vom Blut von Mäusen ernähren, die mit den Bakterien infiziert sind Borrelia burgdorferi, ein Protein aus dem Immunsystem der Maus, das die Lyme-Borreliose verursacht, bindet an Rezeptoren auf Zeckenzelloberflächen und signalisiert Organen, sich schneller zu entwickeln, wodurch eine Immunantwort ausgelöst wird, lange bevor die Bakterien selbst beginnen können, die Zecke zu infizieren.
Die Studie, die am 13. Januar 2023 im Journal veröffentlicht wurde Wissenschaft, identifiziert ein potenzielles Ziel für Anti-Zecken-Impfstoffe oder Therapeutika, um die Ausbreitung von Infektionen wie der Lyme-Borreliose zu verhindern. Die Ergebnisse liefern auch wichtige neue Einblicke in die Evolution biomolekularer Abhängigkeiten zwischen Arten und heben zum ersten Mal sowohl die Integration von Immunität und tierischer Entwicklung als auch die Anpassungsfähigkeit eines alten Zellsignalsystems oder -wegs hervor, das alle pflanzlichen und tierischen Zellen verwenden um ihre Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren.
„Diese adaptive Flexibilität eines konservierten Zellsignalwegs war überraschend“, sagte Utpal Pal, leitender Autor der Studie und Professor am Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine in College Park. „Es ist bemerkenswert, dass dieser Weg, der in allem, von Schwämmen bis hin zum Menschen, vorhanden ist, so flexibel ist, dass er sich an die Aufnahme eines Liganden anpassen kann [a binding molecule] von einer anderen fernen Art. Dieses Tool, das jeder hat, wird auf eine Weise verwendet, die wir uns nicht vorgestellt haben.“
Der Befund deutet darauf hin, dass andere Zellsignalwege möglicherweise für neuartige Anwendungen in anderen Organismen angepasst wurden, und weist auf ein neues Gebiet in der Immunologie und Molekularbiologie hin, das für zukünftige Erforschung reif ist.
Auf der rechten Seite befindet sich eine schwarzbeinige Nymphenzecke mit normalem Körper. Bei der linken Nymphe wurde das Protein DOME-1, das den Rezeptor des JAK/STAT-Signalwegs auslöst, abgebaut, was zu Entwicklungsstörungen wie einem abnormalen und geschwollenen Körper, einem durchscheinenden Bauch mit unverdautem Blutmehl, ungleichen oder rudimentären Beinen und missgebildeten Mundwerkzeugen führte . Bildnachweis: Utpal Pal/ University of Maryland
Pal und seine Kollegen machten ihre Entdeckung bei der Untersuchung der Zeckenimmunität, einem kaum verstandenen Bereich der Zeckenbiologie. In ihrer ersten Studie versuchten sie zu verstehen, wie das Immunsystem von Zecken das erkennt Borrelien Bakterien fütterten die Forscher Zecken entweder mit einer Blutmahlzeit aus a Borrelien-infizierte Maus oder eine nicht infizierte Maus. Beim Vergleich der beiden Gruppen fanden sie heraus, dass die infizierte Blutmahlzeit ein Protein in Zecken aktivierte, das normalerweise Energie in den Zellen produziert. Das Protein ist mit einem einfachen Signalweg namens JAK/STAT verbunden, der in allen vielzelligen Organismen vorhanden ist.
Wie bei allen zellulären Signalwegen nimmt ein bestimmtes Molekül etwas in der Umgebung wahr und bindet dann an einen Rezeptor auf der Außenseite einer Zellwand. Dies setzt eine Kaskade von Reaktionen innerhalb der Zelle in Gang, die ein bestimmtes Gen ein- oder ausschaltet und eine Reaktion auf alle äußeren Reize hervorruft, die wahrgenommen wurden.
Utpal Pal von der University of Maryland über die Entdeckung eines artübergreifenden Signalwegs, bei dem Wirtsblut Immunität und Entwicklung bei Parasiten auslöst. Bildnachweis: University of Maryland
Angenommen, JAK/STAT wurde durch die ausgelöst Borrelien aus dem Blut der infizierten Maus isolierten die Forscher die Bakterien und injizierten sie direkt in Zecken, um zu sehen, welche Moleküle an den JAK/STAT-Rezeptor binden. Überraschenderweise aktivierten die Bakterien JAK/STAT nicht. Um herauszufinden, was das tat, entfernten die Forscher die Borrelien Bakterien aus dem Blut infizierter Mäuse und verfütterte das „saubere“ Blut an Zecken. Der JAK/STAT-Weg trat in Aktion.
Die Forscher entdeckten, dass ein Protein im Verdauungssystem von Zecken als JAK/STAT-Rezeptor diente und sich so entwickelt hatte, dass es sich an das Zytokinprotein Interferon bindet, das vom Immunsystem von Säugetieren produziert wird, die mit Bakterien infiziert sind Borrelien.
Die Forscher fanden auch heraus, dass der JAK/STAT-Rezeptor und -Signalweg für die normale Zeckenentwicklung wichtig sind, selbst wenn der Signalweg nicht durch eine infizierte Blutmahlzeit aktiviert wird. Als Pal und seine Kollegen das exprimierte Gen, das den Rezeptor für JAK/STAT produziert, ausschalteten, bekamen die Zecken deformierte Beine, Mundwerkzeuge und Verdauungssysteme und waren nicht in der Lage, sich zu ernähren und den Entwicklungszyklus abzuschließen, um weiter zu wachsen.
Diese Ergebnisse legen nahe, dass sich bei Zecken der JAK/STAT-Signalweg und der Proteinrezeptor entwickelt haben, um die Immunität mit der Entwicklung zu integrieren. Bakterien konkurrieren mit Zecken um Nährstoffe im Blut eines infizierten Wirts. Wenn also eine Zecke das Signal erhält, dass eine Blutmahlzeit infiziert ist, ist schnelles Wachstum eine Möglichkeit, diese Nährstoffe zu verbrauchen, bevor die Bakterien sie aufnehmen. Laborexperimente stimmen darin überein, dass sich Zecken ernährten Borrelien-infiziertes Mausblut entwickelte sich viel schneller als solche, die sich von nicht infiziertem Mausblut ernährten.
„Das Verständnis, dass dieser Weg Immunität und Entwicklung integriert, hat wichtige Auswirkungen auf potenzielle Strategien zur Verhinderung der Übertragung von durch Zecken übertragenen Krankheiten“, sagte Pal. „Denn wenn man den Weg löscht, können Zecken mit missgebildeten Mundwerkzeugen keine Nahrung aufnehmen oder Krankheiten übertragen. Aber was ich auch wirklich spannend finde, ist, dass wir diese Art von Frühwarnsystem sehen, bei dem das Immunsystem der Zecke einen Krankheitserreger indirekt mithilfe eines Immunsystems erkennt Antwort von seinem Wirt und nicht vom Krankheitserreger selbst, wodurch seine eigene Entwicklung beschleunigt wird.“
Der Erstautor der Arbeit ist Assistant Research Scientist im AGNR-Veterinary Medicine Program Vipin S. Rana. Weitere Co-Autoren des College of Agriculture and Natural Resources der University of Maryland sind: Chrysoula Kitsou, Shraboni Dutta, Min Zhang, Oleksandra Kepple, Weizhong Li, Quentin Bernard, Alexis A. Smith und Xiuli Yang.
Die Veröffentlichung „Dome1–JAK–STAT Signaling Between Parasite and Host Integrates Vector Immunity and Development“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft am 13. Januar 2023.
Mehr Informationen:
Vipin S. Rana et al., Dome1-JAK-STAT-Signalisierung zwischen Parasit und Wirt integriert Vektorimmunität und -entwicklung, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abl3837. www.science.org/doi/10.1126/science.abl3837