Ectosymbiosen von marinen Nematoden

Stilbonematinae (Desmodoridae, Chromadoria) sind die einzig bekannten Metazoa, welche in der Lage sind, monospezifische Ektosymbiosen einzugehen. Die marinen Nematoden umgeben sich mit einem Mantel aus sulfidoxidierenden Bakterien. Hunderte hochspezialisierter, hypodermaler sensorischer Drüsenzellen, so genannte glandular sensory organs (GSOs), spielen offenbar eine grundlegende Rolle, diese Symbiose zu etablieren und aufrecht zu erhalten. Dazu produzieren sie jene Sekrete, in denen die Symbionten extrakutikulär eingebettet sind. Im Verlauf dieses beantragten Projektes wollen wir einige stark exprimierte Nematodengene untersuchen, welche wir in mit Hilfe von first und second generation sequencing erstellten Transkriptondatenbanken gefunden haben. Diese Transkripte weisen Homologien zu bekannten symbioserelevanten Genen auf, und von einigen wissen wir bereits, daß sie GSO-spezifisch exprimiert und sezerniert werden. Um die Funktion dieser Gene zu verstehen, wollen wir versuchen, ihre Expressionsmuster in den GSOs zu beschreiben und sie mit Hilfe von RNA Interferenz stumm zu schalten. Gleichzeitig sind wir bestrebt herauszufinden, welcher Mechanismus es den mikrobiellen Partnern erlaubt, sich so zu teilen, daß die Tochterzellen den Kontakt zu ihrem Wirt nicht verlieren. Untersuchungen an diesen relativ einfachen, nicht künstlich erzeugten Symbiosen könnten unser Verständnis der Interaktion nützlicher Mikroorganismen mit den Schleimhäuten höherer Vertebraten erweitern.

Nützliche Mikroben machen bis zu 2 kg unseres Körpergewichtes aus und haben großen Einfluss auf unsere Gesundheit, Entwicklung und Evolution. Die überwältigende Komplexität der menschlichen Mikrobiota spornt die Suche nach einer einfacheren Tier-Mikroben- Verbindung an, wie die von marine Fadenwürmern und autotrophen Bakterien. Jede Wurmart die zur Stilbonematinae gehört ist mit nur einer Art von Bakterien bedeckt. Zusätzlich wird ihre räumliche Verteilung während des gesamten Lebens des Wirtes und auch über mehrere Generationen hinweg aufrechterhalten. Der symbiotische Bakterienmantel kann einem einfachen Epithelium, aber auch Fell oder einem Strick ähneln und seine Bildung auf der Wurmoberfläche benötigt sowohl (1) dezidierte Oberflächenmoleküle als auch (2) außergewöhnliche Fortpflanzungsmodi.Das Ziel des Projektes war es, diese fundamentalen Prozesse aufzuklären. Um die molekularen Mechanismen hinter der Symbiontenselektion zu verstehen, haben wir uns (1) auf eine Familie von möglichen Antimikrobiotika konzentriert, den bakterientötenden Durchlässigkeit erhöhenden Proteinen (Bactericidal Permeability Increasing, BPI) fokussiert. Zwei zeigten strukturelle und biochemische Ähnlichkeit mit den menschlichen Immunauslösern, die eine zentrale Rolle in der Bekämpfung von Krankheitserregern im Schleimhautgewebe spielen. Sie werden durch die Oberfläche des Wurmes ausgeschieden und verhindern möglicherweise die Ansiedlung von nicht-symbiotischen Mikroorganismen. Begleitend, (2) haben wir die Fortpflanzungsmodi von vier am Wurm lebenden Bakterien charakterisiert und zeigten, dass alle lange bestehende Paradigmen der Zellbiologie widerlegen. So legen zwei stäbchenförmige Symbionten ihre Teilungsebene entlang ihrer Längsachse fest (anstatt sich transversal zu teilen); filamentöse Symbionten teilen sich symmetrisch, obwohl sie über 100 m-lang sind, und sichelförmige Symbionten zeigen beispiellose Zelllängenvariation.Zusammenfassend bestätigte diese Studie von natürlich vorkommenden Tier-Bakterien- Symbiosen die reichübergreifende Konservierung von angeborenen Immunmolekülen, welche die Ansiedlung von spezifischen Mikroorganismen auf der Wirtsoberfläche vermitteln. Zudem zeigte die Studie über Zellteilung von natürlich vorkommenden Bakterien, dass sich diese Schlüsselprozesse dramatisch von denen in gut-studierten Modellbakterien unterscheiden können. Deswegen sind die erhaltenen Resultate ein Aufruf zu weiteren Studien über die molekulare Zellbiologie von Umweltmikroben. Insbesondere die Untersuchung der Zellteilung von Wurm-assoziierten Bakterien wird die Identifizierung von konservierten strukturellen und regulatorischen Molekülen fördern. Seitdem sie zu einer medizinisch und ökologisch wichtigen Gruppe von Bakterien gehören, könnte das Verständnis über die Grundlagen ihrer Reproduktion zu anwendbaren Nutzen führen.