Transcriptomic dynamics and interaction in a host and parasite system

Abstract

Parasiten haben einen tiefgreifenden Einfluß auf ihre Wirte und sind können in der Lage, deren Phänotyp zu manipulieren, um die Chancen einer Übertragung auf den Endwirt zu erhöhen. Dies scheint auch bei dem Zestoden Anomotaenia brevis und seinem Zwischenwirt, der Ameise Temnothorax nylanderi, der Fall zu sein. Bei einer Infektion beobachten wir Veränderungen der Farbe und Sklerotisation der Kutikel, der Aktivität, der Lebensdauer, der Interaktionen mit Nestgenossen und der Muskelmasse. Diese Veränderungen gehen mit Veränderungen der Genexpression in der Ameise einher, so dass es schwierig ist festzustellen, ob der Zestode wirklich die Fäden in dieser Interaktion zieht oder ob die phänotypischen Veränderungen einfach nur Nebeneffekte der Zestodeninfektion sind. In dieser Dissertation habe ich verschiedene Methoden angewandt, um zu untersuchen, ob der Parasit wirklich die Fäden in dieser Interaktion zieht oder ob wir alternative Erklärungen für die Unterschiede in der Genexpression finden können. Im ersten Kapitel haben wir die Auswirkungen der Parasitenbelastung auf dieses System untersucht. Wir verglichen die Genexpression von nicht infizierten, gering infizierten und stark infizierten Wirten sowie von Parasiten, die den Wirt mit wenigen anderen und vielen anderen koinfizieren. Wir beobachteten ähnliche Veränderungen bei Parasit und Wirt, wo beide unter höherem Stress litten und der Wirt sich des Parasiten stärker bewusst zu sein scheint, da der Parasit ein größeres Bedürfnis hat, sich der Immunantwort des Wirts zu entziehen. In Kapitel 2 beschlossen wir, Ameisen mit bakteriellem Lipopolysaccharid zu injizieren, um den Unterschied zwischen der Immunreaktion auf den Zestoden und der Immunreaktion auf Bakterien auf Ebene der Genexpression zu verstehen. Wir kombinierten dies mit der Untersuchung des Darmmikrobioms, um zu sehen, welche Auswirkungen beide Immunreaktionen (auf den Parasiten und auf das Bakterium) auf den Wirt haben. Wir fanden eine große Menge an unterschiedlich exprimierten Genen, die auch die Immunantwort stark beeinflussen. Bei näherer Betrachtung stellten wir insbesondere fest, dass die Gene, die sowohl bei einer Parasiteninfektion als auch bei einer Scheininfektion unterschiedlich exprimiert werden, in verschiedene Richtungen unterschiedlich exprimiert werden. Dies deutet auf eine mögliche Hemmung des Immunsystems in diesem System hin. Diese Hemmung wirkte sich jedoch nicht auf das Immunsystem gegen Bakterien aus, was bedeutet, dass der Zestode in der Lage ist, die Angriffe gegen ihn zu minimieren, ohne die Fähigkeit der Ameise zur Bekämpfung anderer Parasiten zu beeinträchtigen. Im Darmmikrobiom fanden wir bei der Parasiteninfektion einen Verlust der Artenvielfalt und eine Dominanz intrazellulärer Gruppen in den infizierten Ameisen, was möglicherweise auf eine frühere Immunreaktion auf die Zestodeninfektion hindeutet. Im letzten Kapitel testeten wir, wie sich die Prävalenz von Parasiten in diesem System auf die Genexpression der Kolonie auswirkt, indem wir die Genexpression mit dem Anteil infizierter Ameisen in der Kolonie sowohl bei infizierten Wirten als auch bei nicht infizierten Wirten und Parasiten korrelierten. Dabei stellten wir eine Stressreaktion bei den Ameisen fest. Während der Parasit, obwohl er in seiner Genexpression betroffen ist, unter diesen Bedingungen nicht zu leiden scheint. Darüber hinaus haben wir eine neuartige Methode zur Untersuchung des Interaktoms zwischen Parasit und Wirt angewandt, mit der wir ein neues Licht auf die molekularen Interaktionen geworfen haben. Dabei haben wir festgestellt, dass das Transkriptom des Parasiten in hohem Maße mit dem der Ameise interagiert, und zwar sowohl in Form einer Reaktion auf Veränderungen der Genexpression der Ameise als auch in Form einer Manipulation der Genexpression der Ameise. Insgesamt lassen sich in diesem System deutliche Anzeichen für Manipulationen und möglichen Nebenwirkungen der Infektion finden. Beispielsweise sind die Färbung und Sklerotisierung der Kutikula und die Immunreaktion in den Datensätzen eng miteinander verbunden, und wir können in diesem Fall Argumente vor und gegen einen möglichen Fitnessvorteil für den Parasiten finden. Ein weiterer möglicher Nebeneffekt ist die Reaktion auf oxidativen Stress, der im Transkriptom der Ameise nicht vollständig sichtbar ist, da der Zestode den oxidativen Stress in seinem Wirt zu minimieren scheint, um seine eigene Überlebensfähigkeit zu verbessern.

Parasites have a profound impact on their hosts, sometimes even being able to manipulate their phenotype in order to increase the chances of transmission to the final host. This also seems to be the case with the cestode Anomotaenia brevis and their intermediate host, the ant Temnothorax nylanderi. When infected, we observe changes in the cuticle colour and sclerotization, activity, lifespan, interactions with nestmates and muscle mass. These changes co-occur with changes in gene expression in the ant, making it difficult to determine whether the cestode is truly the one pulling the strings in this interaction or whether phenotypic changes are simply side effects of cestode infection. In this dissertation I used various methods to investigate whether the parasite is truly the manipulator in this interaction or whether we can find alternative explanations for gene expression differences. In the first chapter we investigated the effect of parasite load on this system. We compared the gene expression of uninfected, lowly infected and highly infected hosts as well as parasites that coinfect the host with few others and many others. We observed similar changes in parasite and host, where both suffered from higher stress and where the host seems to be more aware of the parasite with the parasite having a stronger need to evade the host’s immune response. In chapter 2 we decided to immune challenge ants with bacterial lipopolysaccharide in order to understand the difference between the immune reaction to the cestode and the immune reaction to the parasite on a gene expression level. We combined this by investigating the gut microbiome and see what both immune challenge (parasitic and mock bacterial) have on the host. We found a large pool of differentially expressed genes that also strongly impact the immune response. Upon deeper investigation we especially found that the genes that are differentially expressed upon both parasite infection and mock challenge are differentially expressed in different directions. Laying bare a possible immune system inhibition in this system. However, this inhibition did not affect the immune system against bacteria, meaning that the cestode is capable of minimizing the attacks against it while not compromising the ant’s ability to fight other parasites. In the gut microbiome meanwhile we found a loss in biodiversity upon parasite infection and a dominance of intracellular groups in the infected ants, possibly hinting at an earlier immune reaction from cestode infection. In the final chapter we tested what the effects of parasite prevalence are in this system on the gene expression by correlating gene expression against the proportion of infected ants in the colony in both infected hosts, uninfected hosts and parasites. Here we found a stress reaction in the ants while the parasite, though affected in its gene expression, does not seem to suffer under these conditions. We further employed a novel method to investigate the interactome between parasite and host where we shed new light upon the molecular interactions between parasite and host, here we found the parasite transcriptome to be highly interactive with that of the ant both in a manner of seeming reaction to ant gene expression changes as well as seeming manipulation of ant gene expression. All in all we can find clear signs of manipulation in this system as well as seeming side effects of infection. For example, the cuticle colouration and sclerotization and the immune response are highly connected in the datasets and we can find arguments against the possible fitness benefits for the parasite in this case. Another possible side effect is oxidative stress response that might not even be entirely visible in the ant’s transcriptome as the cestode seems to minimize the oxidative stress in its host in order to improve its own functioning.