Transmission, Erhaltung und Zellzyklus bei der Endoriftia Symbiose

Bakterien des Taxons Candidatus Endoriftia persephone leben als Endosymbionten mit dem Riesenröhrenwurm Riftia pachyptila bei den Hydrothermalquellen (Vents) der Tiefsee im Ostpazifik. Die Symbionten werden nicht an die Nachkommen weitergegeben, sondern in jeder Wirtsgeneration neu aus der Umwelt aufgenommen. Für diese horizontale Transmission von Symbionten sind spezielle Erkennungs- und Anheftungsmechanismen nötig. Der Infektionsprozess und das Zusammenleben der Partner werden durch Mechanismen koordiniert, die bis jetzt nicht bekannt sind. Weiters wissen wir nicht wie die Symbionten und/oder der Wirt jene molekularen Prozesse steuern, die notwendig sind, um die Aufnahme der Symbionten aus der Umwelt, die Migration der Symbionten bis zum Mesenterium des Wirtes, die Entwicklung der Symbionten im Trophosom und schließlich die Aufrechterhaltung der Symbiose und den Zellzyklus innerhalb der Bakteriozytenzellen des Wirts zu ermöglichen. In dieser Studie sollen mit immun-histochemischen und immun-ultra-histochemischen Methoden diese molekularen Prozesse untersucht werden, indem maßgeschneiderte monospezifische Antikörper gegen ausgewählte Effektorproteine verwendet werden. Aus den bereits publizierten metagenomischen und proteomischen Datensätzen werde ich ca. 20 Proteine, die vermutlich in Symbiont/Wirts Interaktionen beteiligt sind, auswählen. Ich werde mich auf symbiontische Proteine konzentrieren, die in die Mobilität der Bakterien (wichtig um den Wirt zu erreichen und durch die Gewebsschichten des Wirts zu migrieren), in Chemotaxis und Anheftungsmechanismen (unerlässlich um den Wirt zu finden und sich an ihn anzuheften) und in den Zellzyklus (DNA Synthese und Zellteilung) involviert sind. Die folgenden Wirtsstadien werde ich nach exprimierten Genen untersuchen: das Larvenstadium während der Metamorphose; das junge Juvenilstadium mit Trophosom in Entwicklung; das juvenile Stadium mit einlappigem Trophosom und schließlich das adulte Stadium mit mehrlappigem Trophosom. Freilebende Symbionten sind bereits in der Umgebung der Hydrothermalquellen, in den Röhren der Würmer und in der extrazellulären Matrix der metamorphierenden Larven gefunden worden. In der Vent Umgebung kommen sie als sich teilende Stäbchen und kleine Kokken vor, während der Migration durch das Wirtsgewebe und am Beginn der Trophosomentwicklung wurden hingegen ausschließlich teilende Stäbchen gefunden. Während des Zellzyklus, der mit einer terminalen Differenzierung endet, entwickeln sich die Symbionten von sich teilenden Stäbchen über sich teilende kleine Kokken zu nicht teilenden große Kokken, die letztendlich in der peripheren Zone des Trophosomes abgebaut werden. Ziel dieser Studie ist es, erstmals das Expressionsmuster ausgewählter Gene der Symbionten mit einer präzisierten räumlichen und zeitlichen Auflösung darzustellen. Die Darstellung der involvierten Proteine wird uns helfen besser zu verstehen, welche Mechanismen diese Symbionten verwenden, um ihren Wirt zu finden, ihn zu infizieren, Wirtsgewebe zu durchwandern und sich selbst als Endosymbionten in einem Organ zu etablieren. Diese Studie bringt wichtige Erkenntnisse zum Riftia Modellsystem im Speziellen und zu mikrobiellen Symbiosen im Allgemeinen. Durch die Verknüpfung von biologischer und medizinischer Forschung können darüber hinaus neue Erkenntnisse zu vielfach vorkommenden Signalwegen von nützlichen und pathogenen Bakterien gewonnen werden.

Die Riesenröhrenwürmer der Tiefseehydrothermalquellen des Ostpazifik sind eine der am schnellsten wachsenden wirbellosen Tiere der Welt mit einer Gesamtgröße bis zu 1,5 Metern. Umso erstaunlicher ist es, dass sie weder Mund noch Darm besitzen, sondern sich ausschließlich von ihren symbiontischen Bakterien ernähren. Diese sogenannten Endosymbionten züchten sie in ihrem eigenen Körper, in einem Organ das Trophosom genannt wird. In diesem Projekt haben wir herausgefunden, dass die Symbionten ihren Zellzyklus auf- rechterhalten und überleben können, auch wenn es dem Wirt nicht mehr gut geht und er abzusterben beginnt. Somit können die Symbionten den absterbenden Wurm verlassen und als freilebende Bakterien weiterleben.Das Wachstum der Bakterien und das des Wurmes sind eng miteinander koordiniert. Der Zellzyklus der Symbionten und der des Wurms werden so aufeinander abgestimmt, dass Proliferation und Absterben von Zellen jedes Partners in ein unglaublich schnelles gemeinsames Wachstum münden. Ein wesentliches Merkmal des symbiontischen Lebenszyklus ist es, dass sich stäbchenförmige Bakterien im Zentrum des Trophosomlappens sehr schnell teilen und in Richtung Peripherie geschoben werden. Bei der Wanderung zur peripheren Zone werden die Symbionten kokkoid und größer. Zu Beginn teilen sie sich noch, aber ab einem gewissen, noch nicht determinierten, Zeitpunkt hören die Symbionten auf sich zu teilen und nehmen nur mehr an Größe zu, wobei sie einen doppelten oder dreifachen Chromosomensatz besitzen. Das heißt, die DNS Replikation findet offensichtlich statt, aber irgendetwas hindert die Bakterien daran sich zu teilen.In diesem Projekt haben wir die Expressionsmuster der Zellzyklusproteine der Symbionten untersucht, um herauszufinden welche Proteine aktiv sind und mehr darüber zu erfahren ob dieser Zellteilungsstopp (auch) von den Bakterien aus gesteuert wird. Ursprünglich wollten wir mit speziell für Symbionten angefertigten polyklonalen Antikörpern diese Proteine direkt an Semidünnschnitten von Trophosomgewebe nachweisen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Antikörper nicht spezifisch genug an etwaige Proteine gebunden haben, um eine gesicherte Aussage treffen zu können. Wir haben daher bei Tieren in unterschiedlichen physiologischen Zuständen die mRNA ihrer Symbionten mit Hilfe von Real Time quantitative Polymerase Chain Reaktion (RT-qPCR) bestimmt, und so Aktivitäten verschiedener Zellzyklusproteine vergleichen können. Wir sehen aus den semiquantitativen Vergleichen, dass in den Symbionten frühe Zellzyklusproteine exprimiert sind - das sind Proteine, die DNS Verdopplung und die Chromosomenaufteilung initiieren. Wir finden jedoch auch Proteine, die einen Zellteilungsstopp in der späteren Phase der Teilung herbeiführen könnten. Ob die Expression dieser Zellteilungshemmer vom Wirt oder von den Symbionten selbst induziert wird, konnte noch nicht eindeutig geklärt werden und bedarf weiterer Forschung.