Κατανομή, έκφραση και μοριακή εξέλιξη των αγκυρινών στο συμβιωτικό βακτήριο Wolbachia

Abstract

Wolbachia (α-proteobacteria, Rickettsiales) comprise a group of intracellular and maternally inherited bacteria, known to infect many species of arthropods and nematodes. Recent studies estimate that >65% of insect species (about 106 different insect species) are infected with Wolbachia making it one of the most abundant symbionts in nature. Wolbachia manipulates host reproduction in many different and unusual ways in order to insure its maternal transmission. The most common effects of Wolbachia infection includes: feminization of genetic males, thekytokous parthenogenesis, male killing and cytoplasmic incompatibility (CI) witch is the most widespread and, perhaps, the most prominent feature that Wolbachia impose on their hosts. CI results in embryonic mortality in mating between infected males with females having different Wolbachia infection status. The unique biology of Wolbachia together with its pandemic distribution has attracted considerable interest for its ecological and evolutionary effects, influencing aspects such as the adaptation to a wide variety of ecological niches and contributing to the biodiversity of the most numerous group of the animal kingdom, the group of insects. Furthermore, Wolbachia and Wolbachia-induced cytoplasmic incompatibility proposed for its potential application in pest and disease vector control. However, Wolbachia’s fastidious uncultivable nature hampers its study with the classical tools of bacterial genetics; so, little is known about the molecular mechanisms that underline the fascinating effects Wolbachia impose in their hosts. The recent sequencing of the first Wolbachia genome (wMel strain) provided novel insights into the potential molecular mechanisms used by this symbiont to manipulate its hosts. One interesting feature of wMel Wolbachia’s genome is the presence of an unusually high number of genes containing ankyrin repeat domains (23). Most commonly found in eukaryotic and viral proteins, ankyrin repeats act as scaffolds that mediate protein-protein interactions. Proteins with ankyrin repeats are known to involve in functions including: cell-cycle regulation, transcriptional regulation, cytoskeleton interactions and may act as toxins. This number of genes is in itself astonishing, as most of bacteria code for none to very few proteins with ankyrin repeats, indicating a putative role in host-Wolbachia interactions. Considering the potential importance of ankyrin repeats in mediating protein-protein interactions and their abundance in Wolbachia, we performed a comparative study to examine: a) the distribution of 23 ankyrin repeat-containing genes present in the wMel genome in various Wolbachia stains, b) the sequence variability between different ankyrin genes in various Wolbachia strains and their phylogenetic relationships and c) the transcription of ankyrin genes in different developmental stages and tissues.

Η Wolbachia (α-πρωτεοβακτήρια, Rickettsiales) είναι ένα υποχρεωτικά ενδοκυττάριο και μητρι- κά κληρονομούμενο βακτήριο που απαντά σε πολλά είδη αρθροπόδων και νηματωδών. Εκτιμά- ται ότι το 65% των εντόμων (περίπου 106 είδη) είναι μολυσμένα με Wolbachia καθιστώντας την το πιο ευρέως διαδεδομένο συμβιωτικό βακτήριο που υπάρχει. Η Wolbachia επιδρά στις αναπα- ραγωγικές λειτουργίες των ξενιστών της με πολλούς και απρόσμενους τρόπους προκειμένου να εξασφαλίσει τη μητρική μεταβίβασή της. Συγκεκριμένα, η Wolbachia επάγει θηλυκοποίηση, παρθενογένεση, θανάτωση αρσενικών ατόμων και συνηθέστερα κυτταροπλασματική ασυμβατό- τητα (ΚΑ). Η ΚΑ αποτελεί ένα είδος εμβρυικής θνησιμότητας η οποία στην πιο απλή της μορφή προκύπτει όταν μολυσμένα αρσενικά άτομα γονιμοποιούν μη μολυσμένα θηλυκά. Η ΚΑ παρέχει ένα αναπαραγωγικό πλεονέκτημα στα μολυσμένα άτομα με αποτέλεσμα την εξάπλωση του βα- κτηρίου σε έναν πληθυσμό. Λόγω της ευρείας διάδοσης και των ιδιοτήτων της πιστεύεται ότι η Wolbachia έχει παίξει καταλυτικό ρόλο: (α) στην οικολογία των εντόμων, διευρύνοντας τους οικολογικούς θώκους, και (β) στην εξέλιξη, συμβάλλοντας στην αύξηση της βιοποικιλότητας, της πιο πολυπληθούς, σε αριθμό ειδών, ομάδας του ζωικού βασιλείου, των εντόμων. Επίσης, η Wolbachia και η Wolbachia-επαγόμενη κυτταροπλασματική ασυμβατότητα έχουν προταθεί, και πρόσφατα χρησιμοποιηθεί, ως ένα φιλικό προς το περιβάλλον εργαλείο πληθυσμιακού ελέγχου επιβλαβών ειδών χωρίς τη χρήση χημικών ουσιών. Παρόλο όμως το όλο και αυξανόμενο ενδιαφέρον, οι σύνθετες τροφικές ανάγκες της Wolbachia, οι οποίες υπαγορεύονται από τη συμβιωτική φύση της, έχουν παρεμποδίσει τη μελέ- τη του βακτηρίου με τα κλασικά εργαλεία της βακτηριακής γενετικής. Ωστόσο, η πρόσφατη αλ- ληλούχιση του πρώτου γονιδιώματος της Wolbachia (στέλεχος wMel) αποκαλύπτει νέα στοιχεία για τη βιολογία του βακτηρίου και τους μοριακούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης με τους ξενι- στές του. Για παράδειγμα, το γονιδίωμα του wMel περιέχει έναν ασυνήθιστα μεγάλο αριθμό γο- νιδίων (23) τα οποία κωδικοποιούν πρωτεΐνες με μοτίβα αγκυρινών (ankyrin domains). Τα μοτί- βα των αγκυρινών βρίσκονται κυρίως σε ευκαρυωτικές και ιικές πρωτεΐνες και είναι γνωστό ότι συμμετέχουν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτεϊνών και απαντούν σε κυτταροσκελετικές και μεμβρανικές πρωτεΐνες, μεταγραφικούς παράγοντες και ρυθμιστές της μεταγραφής, αναστολείς καθώς και τοξίνες. Ο αριθμός αυτός των γονιδίων είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακός αν αναλογι- στούμε ότι τα βακτήρια κωδικοποιούν ελάχιστες πρωτεΐνες με μοτίβα αγκυρινών. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, και αναλογιζόμενοι τη σημαντικότητα των αγκυρι- νών και τον ιδιαίτερα εντυπωσιακό τους αριθμό στη Wolbachia, πραγματοποιήθηκε μια συγκριτική μελέτη προκειμένου να εξετασθεί: α) η κατανομή των 23 αγκυρινών, που αρχικά εντοπί- στηκαν στο στέλεχος wMel, σε 11 διαφορετικές, φαινοτυπικά και εξελικτικά, συμβιωτικές σχέ- σεις Wolbachia-Drosophila, (β) η γενετική ποικιλομορφία καθώς και οι φυλογενετικές και εξε- λικτικές σχέσεις των γονιδίων αγκυρίνης μεταξύ των διαφορετικών στελεχών Wolbachia και (γ) η έκφραση των γονιδίων αυτών σε διαφορετικά αναπτυξιακά στάδια και ιστούς του ξενιστή και για τις 11 συμβιωτικές σχέσεις Drosophila-Wolbachia.