Wirtkontrolle über symbiontische Bakterien

Was hält nicht-pathogene Mikroorgansimen auf Abstand? Obwohl wir aufgrund von genomischen Daten die metabolischen Kapazitäten von mikrobiellen Symbionten immer besser verstehen, ist wenig bekannt über die nötigen zellulären und molekularen Mechanismen, die diese kontrollieren und begrenzen. Unabhängig davon ist es von grundlegendem Interesse zu verstehen, wie die Symbionten die Wirtsphysiologie manipulieren, um dauerhaft mit diesem assoziiert zu sein. In Vertebraten spielt das Mikrobiom eine fundamentale Rolle in der bidirektionalen Achse, welche Aktivitäten im Darm und dem Zentralen Nervensystem mit einschließt. Doch die dahinterliegenden Mechanismen, die für Mirkobiota-Nervensystem-Wechselwirkungen verantwortlich sind, sind weitgehend unbekannt. Marine Nematoden-Bakterium-Assoziationen sind sehr spezifisch, d.h. nur eine bakterielle Spezies ist mit der Oberfläche von einer Nematodenart assoziieren. Zusätzlich wird die räumliche Organisation des Symbionten auf der Wirtsoberfläche präzise und höchst zuverlässig über Wirt- und Symbiontengenerationen durch epidermale, Drüsen-Sinnesorgane aufrechterhalten. In diesem Forschungsvorhaben wollen wir herausfinden 1) wie das tierische Immun- und Nervensystem gemeinsam die Identität, Nummer und räumliche Verteilung der nützlichen Bakterien kontrollieren und 2) was die ökologische und evolutionäre Signifikanz dieses spezifischen symbiotischen Kleidungsstücks darstellt (i.e. bakterielle Mantelarchitektur). Wir werden diese Fragen angehen, indem wir die Transkriptome von symbiotischen und nicht-symbiotischen Gewebe, sowie vier ausgewählten Wirtarten miteinander vergleichen. Außerdem werden wir die Transkriptome und Proteome der vier korrespondierenden Symbionten vergleichen. Neben der Anwendung von Omics- Techniken werden ausgewählte Moleküle wie Wirtimmuneffektoren und Neuropeptide wie auch Sekretionssysteme der Symbionten analysiert. Darüber hinaus werden die Omics- Daten dazu verwendet um den Molekülaustausch zwischen Wirt und Symbiont durch metabolische Modellierung vorauszusagen.

Ziel dieses Projekts war die einzigartige Symbiose zwischen einem Tier, dem Fadenwurm (Nematoda) L. oneistus, und einer einzelnen Bakterienart, die seine Oberfläche bewohnt, dem Gammaproteobacterium Candidatus Thiosymbion oneisti, zu verstehen. Durch die Anwendung von Omics und stabilen isotopen-basierten Techniken wollten wir wissen, wie (1) das Tier die Vermehrung des Symbionten selektiert und kontrolliert, (2) der Symbiont von seinem Wirt gehalten wird und (3) wie das Nematoden-Bakterium-Konsortium auf Umweltveränderungen reagiert (insbesondere in Hinblick auf Sauerstoff, da angenommen wird, dass der Wurm zwischen der Sand-Redox-Grenze hin und her wandert). Zu (1) fanden wir, dass L. oneistus im anoxischen (sauerstofffreien) Zustand Gene hochreguliert, die mutmaßlich an der Rekrutierung spezifischer Symbionten beteiligt sind (z.B. Lektine, Muzine, Lysozyme) und wahrscheinlich die Proliferation der Symbionten durch Bereitstellung von Phospholipiden unterstützt. Bemerkenswerterweise könnte der Wurm an diesem und an anderen energieintensiven Prozessen beteiligt sein (z.B. Ribosomenbiogenese), wahrscheinlich indem es zu einer "Umverdrahtung" seiner Elektronentransferkette kommt, so dass Rhodochinon als Elektronenträger und Fumarat als Elektronenakzeptor verwendet wird. In Bezug auf (2) fanden wir, dass die Schwefeloxidation der Symbionten bei Anoxie hochreguliert ist. Das kann dem Wurm helfen eine Sulfid-Vergiftung zu vermeiden, wenn er in räuberfreiem Sand kriecht. Bei Sauerstoffexposition wurde die Proliferation der Symbionten behindert, offenbar aufgrund von oxidativem Stress und der Hochregulierung der Immunwege des Wirts (z.B. Toll-Pfad, ein angeborener Immunpfad, der von Schwämmen bis zum Menschen konserviert ist). Zu (3) haben wir festgestellt, dass, gleichgültig wo im Sand sich das Konsortium befindet, einer der beiden Partner zwangsläufig gestresst sein und sich weniger vermehren wird: Bei Abwesenheit von Sauerstoff vermehrt sich der Symbiont schnell (indem er sich auf die Schwefeloxidation in Verbindung mit Denitrifikation verlässt), während sein tierischer Wirt sich hauptsächlich am Abbau beschädigter Proteine und Mitochondrien beteiligt. Bei Anwesenheit von Sauerstoff ist die Situation umgekehrt: Der Symbiont ist gestresst, während sich der tierische Wirt energieaufwendige biosynthetische Prozesse zur Entwicklung und Vermehrung leisten kann. Obwohl der Symbiont ein mixotropher stickstofffixierender Stab ist, gehen wir, basierend auf den oben genannten Daten (Paredes et al., 2021; Paredes et al., in Vorbereitung), davon aus, dass die Möglichkeit, vom Wirt stammende Nährstoffe (z.B. Phospholipide, kleine organische Verbindungen, Ammoniak) zu nutzen, die Längsteilung angetrieben haben könnte. Dabei handelt es sich um einen Fortpflanzungsmodus, der die Bindung des Wirts an beide Tochterzellen garantiert. In Bezug auf die Zellbiologie von Symbionten, obwohl ursprünglich nicht im Projekt geplant, entdeckten wir, dass einerseits, in einem sich längs teilenden Stab ein zweidimensionaler Segregationsmodus die Aufrechterhaltung einer festen Chromosomenkonfiguration ermöglicht (Weber et al., 2019) und dass andererseits, bakterielle Symbionten quaderförmig sein können (Weber et al., 2021). Zusammenfassend zeigte unsere Forschung, dass sich zwei aufs höchste inkompatible Partner, nämlich ein Tier und ein anaerobes Bakterium, dank einer äußerst feinen Umweltregulation ihrer Symbiose aneinander festhalten können.