Entdeckung bakterieller Proteine, die bei Insekten die ungeschlechtliche Fortpflanzung induzieren

Von Mikroben im menschlichen Darm bis hin zu symbiotischen Algen in Korallenriffen hat die Forschung der letzten Jahrzehnte zunehmend die zentrale Rolle aufgezeigt, die Mikroorganismen (oder mikrobielle Arten) bei der Gestaltung der Biologie von Wirtsorganismen und größeren Ökosystemen spielen. Beispielsweise ist bekannt, dass einige Endosymbionten – Mikroben, die in den Zellen eines Wirtsorganismus leben – die Physiologie ihrer Wirte manipulieren, um ihr eigenes Fortbestehen von Generation zu Generation zu fördern.

Eines der bekanntesten Beispiele hierfür stammt aus der Insektenwelt, wo bakterielle Endosymbionten der Gattung Wolbachia bei ihren Wirten eine ungeschlechtliche Fortpflanzung induzieren können, um deren Übertragung auf zukünftige Generationen sicherzustellen. Obwohl dieses Phänomen erstmals vor über 30 Jahren erkannt wurde, blieben die zugrunde liegenden Mechanismen bislang unklar.

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Genombiologie und Evolutionmit dem Titel „Identifizierung Parthenogenese-induzierender Effektorproteine ​​in Wolbachia„Forscher der University of Minnesota haben wichtige Wolbachia-Proteine ​​identifiziert, die diese mikrobeninduzierte Form der Fortpflanzung vermitteln.

Die Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt beim Verständnis der molekularen Mechanismen dar, die der Manipulation der Wirtsreproduktion durch Wolbachia-Bakterien zugrunde liegen, und legt den Grundstein für die Aufklärung der komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Endosymbionten und ihren Wirtsorganismen.

Bakterien der Gattung Wolbachia gehören zu den am weitesten verbreiteten Endosymbionten auf der Erde und infizieren etwa die Hälfte aller Insektenarten. Wolbachien werden von Insektenmüttern auf ihre Nachkommen übertragen, weshalb männliche Wirte eine evolutionäre Sackgasse für die Bakterien darstellen. Aus diesem Grund haben einige Wolbachia-Linien die Fähigkeit entwickelt, bei ihren Insektenwirten Parthenogenese auszulösen – eine Form der asexuellen Fortpflanzung, die zur Entstehung aller weiblichen Nachkommen führt.

Die Autoren der neuen Studie, Laura Fricke und Amelia Lindsey, konzentrierten sich auf Wolbachia-Stämme von zwei Wirtsarten parasitoider Wespen, Leptopilina clavipes und Trichogramma pretiosum. Es ist bekannt, dass diese Wolbachia-Stämme die Parthenogenese in einem zweistufigen Prozess induzieren: Erstens stören die Endosymbionten die Segregation der Wirtschromosomen und induzieren in unbefruchteten Eiern eine Diploidisierung oder eine Verdoppelung der Chromosomen, wodurch diploide weibliche Nachkommen entstehen.

Als nächstes induzieren die Wolbachia die weibliche Entwicklung der Nachkommen, indem sie Elemente des Genexpressionssystems des Wirts stören, wie zum Beispiel den Insekten-Gentransformator, einen Hauptregulator, der die Entwicklung von Individuen entweder in Richtung männlicher oder weiblicher Phänotypen lenkt.

„Wir stellten die Hypothese auf, dass die Parthenogenese-induzierenden Wolbachia-Stämme Effektorproteine ​​kodierten, die für die Diploidisierung und die Förderung der weiblichen Differenzierung verantwortlich sind, Schlüsselschritte bei der Parthenogenese-Induktion“, erklärt Fricke.

Um diese Effektorproteine ​​zu identifizieren, suchten Fricke und Lindsey nach Genen, die die beiden Parthenogenese-induzierenden Wolbachia-Stämme gemeinsam hatten, in allen anderen Wolbachia-Stämmen jedoch fehlten. Dies führte zur Identifizierung von zwei möglichen Effektorproteinen mit den Namen PifA und PifB (Parthenogenese-induzierende Faktoren A und B), die möglicherweise für die Auslösung der Parthenogenese in Wirtsorganismen verantwortlich sind.

Eine weitere Analyse von PifA und PifB ergab, dass sie viele der Eigenschaften eukaryotischer wirtsassoziierter bakterieller Effektorproteine ​​aufweisen. Strukturelle Vorhersagen zeigten Ähnlichkeiten zwischen PifA und eukaryotischen Nukleoporinen und RNA-Spleißproteinen, während PifB strukturelle Homologie zu eukaryotischen Leucin-reichen Wiederholungsrezeptor-ähnlichen Serin/Threonin-Proteinkinasen aufwies.

Interessanterweise enthält PifA auch eine Transformer-ähnliche Region, was darauf hindeutet, dass sie von Wolbachia genutzt werden könnte, um Elemente des Signalwegs zur Geschlechtsbestimmung von Insekten zu kapern. Zusätzliche Tests zeigten, dass sowohl PifA als auch PifB Auswirkungen auf eukaryontische Zellen haben und dass sich PifA in sich atypisch teilenden Kernen lokalisiert, was auf eine Rolle bei der Manipulation der Zellteilung des Wirts schließen lässt.

Die Entdeckung von PifA und PifB als mögliche Effektorproteine ​​eröffnet neue Wege für die Erforschung der Wolbachia-vermittelten Reproduktionsmanipulation. „Eine interessante Frage ist, woher diese beiden Gene kommen“, sagt Lindsey.

„Das ist eine schwer zu beantwortende Frage. Die umgebenden Elemente im Genom deuten darauf hin, dass diese Gene möglicherweise von Viren in das Wolbachia-Genom übertragen wurden, aber wir kennen die ursprüngliche Quelle nicht.“ Obwohl es unter den veröffentlichten Insektengenomen keine eindeutigen Übereinstimmungen mit PifA und PifB gibt, merken die Autoren an, dass dies lediglich die Stichprobenverzerrung in genetischen Datenbanken widerspiegeln könnte.

Der Mangel an genetischen Werkzeugen zur Untersuchung von Wolbachia und ihren Wirten bleibt eine große Herausforderung für die weitere Erforschung dieser Proteine. Da standardmäßige genetische Ansätze (z. B. Gen-Knockdown oder Knockout) derzeit nicht möglich sind, konzentrieren sich die Autoren auf eine Reihe von Alternativen, um die Funktionsweise dieser Proteine ​​aufzuklären.

„Von hier aus verfolgen wir einen Proteomics-basierten Ansatz, um die Ziele der Pif-Proteine ​​im Wespensystem zu isolieren“, sagt Fricke. „Wir wollen sehen, wo sich diese Proteine ​​während einer natürlichen Infektion in den Insektenembryonen ansiedeln, und wir arbeiten derzeit daran herauszufinden, mit welchen spezifischen Insektenproteinen und RNAs die Pifs interagieren“, fährt Lindsey fort.

Selbst diese alternativen Untersuchungen können aufgrund der winzigen Größe der untersuchten Schlupfwespenarten schwierig durchzuführen sein.

„Diese Insekten sind kleiner als ein Sandkorn und die meisten Menschen können sie ohne Mikroskop nicht sehen. Das macht viele unserer Experimente ziemlich knifflig und erfordert oft viel Optimierung und ruhige Hände, um Experimente durchzuführen, die das ermöglichen würden.“ bei größeren Insekten Routine sein“, erklärt Lindsey. Dennoch verspricht die Überwindung dieser Hindernisse ein neues Licht auf das komplexe Zusammenspiel zwischen Endosymbionten-Effektoren und der Physiologie und Evolution ihrer Wirtsorganismen zu werfen.