Darmmikrobiota bei Gesundheit und Krankheit

Wasserflöhe der Gattung Daphnia beherbergen zahlreiche vertikal und/oder horizontal übertragbare Parasiten, die für ihren Wirt, da sie dessen Reproduktionsrate und Überleben herabsetzen, meist schädlich sind. Diese Parasiten beeinflussen maßgeblich die Dynamik und Evolution von Wirtspopulationen und bestimmen Interaktionen mit anderen Spezies. Es existiert eine signifikante Wirt-Parasiten-Interaktion (Spezifität des Genotyps, Adaption, Abwehrmechanismen), allerdings ist die Rolle der Darmmikrobiota für Wirtsabwehr und Parasitenvirulenz weitgehend ungeklärt. Eine Darmmikrobiota (mikrobielle Gemeinschaft) ist mit den meisten mehrzelligen Organismen assoziiert und spielt eine bedeutende Rolle in der Ernährung, Entwicklung, Gesundheit und Erkrankung seines Wirts. Bis jetzt kann nur ein geringer Teil der Darmbakterien kultiviert werden, aber kultivierungsunabhängige Hochdurchsatz-Sequenzierungstechniken haben unser Wissen über die Diversität und Funktion der Darmmikrobiota in großem Maße erweitert. Dieses Projekt verfolgt das Ziel, das Zusammenspiel, die Struktur und Dynamik dieser bakteriellen Gemeinschaft bei Gesundheit und Krankheit zu verstehen. Zur Beantwortung meiner Fragen, habe ich Wasserflöhe der Gattung Daphnia gewählt. Daphniden repräsentieren ein Modelsystem, das ausgezeichnet für vergleichende und experimentelle Arbeiten geeignet ist. In diesem Projekt werde ich verschiedene Techniken wie die Fluoreszenz in situ Hybridisierung, denaturierende Gradientengelelektrophorese, Multiplex-Amplikon-Pyrosequenzierung, Symbionten-spezifische PCR Untersuchungen, quantitative PCR, wie auch phylogenetische Analysen und bioinformatische Methoden verwenden. Des Weiteren erlaubt dieses System die Manipulation der Darmmikrobiota von einzelnen Individuen. Dies ermöglicht das experimentelle Überprüfen von Hypothesen. Ich möchte einen verbreiteten, bis jetzt phylogenetisch uncharakterisierten Parasiten, der die Weiße-Fettzellen-Krankheit in Daphnia magna hervorruft hinsichtlich seiner Infektionsweise, phylogenetischen Einordnung, Populationsdynamik und Wirtsmikrobiota untersuchen. Des Weiteren möchte ich mittels eines vergleichenden Ansatzes die Zusammensetzung der ursprünglichen (gesunden)Mikrobiotaund die Konsequenzen eines Parasitenbefallsauf die Mikrobiotazusammensetzung studieren. Ich möchte den Effekt einer manipulierten Darmmikrobiota in Bezug auf Wirtssensitivität gegenüber einer Parasiteninfektion analysieren. Zum Abschluss möchte ich den Einfluss der Mikrobiotazusammensetzung bezüglich Parasitenresistenz des Wirts testen. Das Beleuchten dieser dreiteiligen Symbiose (Wirt Parasit Mikrobiota) wird weit über das gewählte Modelsystem hinaus, angefangen bei der Ökologie, Limnologie, Mikrobiologie, evolutionäre Biologie bis hin zu angewandten Wissenschaften (Ökotoxikologie) und Medizin, Einfluss haben.

Zooplankton ist ein Hotspot von aquatischen und krankheitserregenden Bakterien. Wasserflöhe der Gattung Daphnia beherbergen zahlreiche übertragbare Krankheitserreger, die für ihren Wirt schädlich sind. Weiterhin beherbergt jeder Wasserfloh eine reiche Darmmikrobiota (mikrobielle Gemeinschaften) von bis zu etwa 100 Mikrobenarten. Die Rolle der Darmmikrobiota für Wirtsabwehr und Parasitenvirulenz ist weitgehend ungeklärt. Die Daphnienmikrobiota besteht hauptsächlich aus Proteobakterien, die eine wichtige Rolle bei der Ernährung der Daphnien spielen. Im Rahmen meines Projektes konnte ich zeigen, daß die Mikrobiota nützliche Bakterien enthält, wie auch Bakterien, die keine oder eine negative Auswirkung auf die Wirtsfitness haben. Die Darmmikrobiota von erkrankten Tieren, infiziert mit einem Mikrosporidium, hatte weder einen Einfluss auf das Wachstum vom Wirt oder Krankheitserreger, noch auf die Anzahl der Nachkommen des Wirtes. Dieses Mikrosporidium gleicht den positiven Effekt von verschiedene Mikrobiotas aus, daher nehmen wir an, dass dieser Krankheitserreger die Wirtsmikrobiota verändert. Im Gegensatz dazu, beeinflusst die Mikrobiotazusammensetzung von erkrankten Daphnien, infiziert mit einem Virus, die Zahl der Nachkommen. Unter Umständen könnte die Mikrobiota-Virus-Interaktion die Populationsgröße der Daphnien auch in freier Natur beeinflussen, dies wiederum eine Auswirkung auf das ganze Ökosystem haben kann. Der Anstieg der Reproduktionsrate könnte eine Adaption zwischen dem Virus und seinem Wirt darstellen. Wir zeigten, daß die Mikrobiotazusammensetzung die Reproduktion des Wirtes während einer Infektion abhängig vom jeweiligen Krankheitserreger, beeinflusst. Des Weiteren untersuchten wir das Erbgut eines Daphnienviruses, der zur den Iridoviren (Familie Iridoviridae) gehört. Es ist das erste Mal, daß das Erbgut eines Daphnienvirus untersucht wird. Die Iridoviren sind eine weit verbreitete Gruppe von doppelsträngigen DNA Viren, die unter anderem ökonomisch und ökologisch relevante Krankheitserreger von Fischen und Fröschen enthalten. Das Erbgut des Daphnienvirus ist mit ~289 kbp recht gross und enthält 367 Gene. Interessanterweise hat dieser Virus Gene, die möglicherweise eine Rolle in mRNA capping für mehr mRNA Stabilität und effizientere Translation spielen. Dieser Virus wäre der erste Vertreter der Iridoviren von Invertebraten, der mRNA capping durchführt. Des Weiteren codiert das Erbgut für einzigartige Gene, die unter Umständen bei Wirt-Virus-Interaktionen und in der Pathogenität involviert sind. Diese Gene sind wahrscheinlich wichtig für die Infektion des Wasserflohes. Des Weiteren sind einige Gene potenzielle Kandidaten für vorausgegangene horizontale Gentransfer Events zwischen dem Virus und seinem Wirt. Dieser Gentransfer spielt unter Umständen eine Rolle in der Evolution und der Adaption an neue Umweltverhältnisse und verhalfen den Vorfahren des heutigen Daphnienvirus seinen neuen Wirten zu infizieren und sich in diesem zu vermehren. Diese Studie könnte für Wissenschaftler im Bereich der Virologie, Limnologie, Zoologie, Ökologie, Evolutionsbiologie und Umweltschutz relevant sein. Des Weiteren helfen unsere Ergebnisse vielleicht neue Strategien für die Bekämpfung von Iridoviren zu entwickeln.