Interacciones del microbio huésped en Caenorhabditis elegans -Host microbe interactions in Caenorhabditis elegans
Caenorhabditis elegans : las interacciones microbianas se definen como cualquier interacción que abarque la asociación con microbios que viven temporal o permanentemente en o sobre el nematodo C. elegans. Los microbios pueden participar en unainteracción comensal , mutualista o patógena con el huésped. Estos incluyen interacciones bacterianas, virales, eucariotas unicelulares y fúngicas. En la naturaleza, C. elegans alberga una variedad de microbios diferentes. Por el contrario, lascepas de C. elegans que se cultivan en laboratorios con fines de investigación han perdido las comunidades microbianas asociadas naturales y se mantienen comúnmente en una sola cepa bacteriana, Escherichia coli OP50. Sin embargo, E. coli OP50 no permite cribados genéticos inversos porque las bibliotecas de ARNi solo se han generado en la cepa HT115. Esto limita la capacidad de estudiar los efectos bacterianos sobre los fenotipos del hospedador. Las interacciones del microbio huésped de C. elegans se estudian de cerca debido a sus ortólogos en humanos. Por lo tanto, cuanto mejor comprendamos las interacciones del huésped de C. elegans, mejor podremos comprender las interacciones del huésped dentro del cuerpo humano.
Ecología natural
C. elegans es un organismo modelo bien establecido en diferentes campos de investigación, pero su ecología, sin embargo, es poco conocida. Tienen un ciclo de desarrollo corto que solo dura tres días con una vida útil total de aproximadamente dos semanas. C. elegans se consideraba anteriormente un nematodo que vive en el suelo, pero en los últimos 10 años se demostró que los hábitats naturales de C. elegans son ricos en microbios, como montones de compost, material vegetal podrido y frutos podridos. La mayoría de los estudios sobre C. elegans se basan en la cepa N2, que se ha adaptado a las condiciones de laboratorio. Solo en los últimos años se ha estudiado con más detalle la ecología natural de C. elegans y un foco de investigación actual es su interacción con microbios. Como C. elegans se alimenta de bacterias ( microbivoria ), el intestino de los gusanos aislados de la naturaleza suele estar lleno de una gran cantidad de bacterias. En contraste con la gran diversidad de bacterias en el hábitat natural de C. elegans , las cepas de laboratorio solo se alimentan con una cepa bacteriana, el derivado OP50 de Escherichia coli. OP50 no se aisló conjuntamente con C. elegans de la naturaleza, sino que se utilizó debido a su gran conveniencia para el mantenimiento de laboratorio. El blanqueamiento es un método común en el laboratorio para limpiar C. elegans de contaminaciones y sincronizar una población de gusanos. Durante el blanqueamiento, los gusanos se tratan con NaOH 5N y lejía doméstica , lo que provoca la muerte de todos los gusanos y la supervivencia de solo los huevos de nematodos. Las larvas que nacen de estos huevos carecen de microbios, ya que ninguno de los microbios asociados a C. elegans actualmente conocidos se puede transferir verticalmente . Dado que la mayoría de las cepas de laboratorio se mantienen en estas condiciones gnotobióticas , no se sabe nada sobre la composición de la microbiota de C. elegans . La ecología de C. elegans solo puede entenderse completamente a la luz de las múltiples interacciones con los microorganismos que encuentra en la naturaleza. El efecto de los microbios sobre C. elegans puede variar de beneficioso a letal.
Microbios beneficiosos
En su hábitat natural, C. elegans se enfrenta constantemente a una variedad de bacterias que podrían tener efectos tanto negativos como positivos en su aptitud. Hasta la fecha, la mayoría de las investigaciones sobre las interacciones C. elegans -microbe se centraron en las interacciones con patógenos. Solo recientemente, algunos estudios abordaron el papel de las bacterias comensales y mutualistas en la aptitud de C. elegans . En estos estudios, C. elegans se expuso a varias bacterias del suelo, ya sea aisladas en un contexto diferente o de cepas de laboratorio de C. elegans transferidas al suelo. Estas bacterias pueden afectar a C. elegans directamente a través de metabolitos específicos, o pueden provocar un cambio en las condiciones ambientales y así inducir una respuesta fisiológica en el huésped. Las bacterias beneficiosas pueden tener un efecto positivo en la vida útil, generar ciertas resistencias a patógenos o influir en el desarrollo de C. elegans .
Extensión de vida útil
La vida útil de C. elegans se prolonga cuando se cultiva en placas con Pseudomonas sp. o Bacillus megaterium en comparación con los individuos que viven en E. coli . La extensión de la vida mediada por B. megaterium es mayor que la causada por Pseudomonas sp. . Según lo determinado por el análisis de microarrays (un método que permite la identificación de genes de C. elegans que se expresan diferencialmente en respuesta a diferentes bacterias), 14 genes de defensa inmunológica se regularon positivamente cuando C. elegans se cultivó en B. megaterium , mientras que solo dos fueron regulados positivamente cuando se alimentaron con Pseudomonas sp. Además de los genes de defensa inmunológica, otros genes regulados positivamente están involucrados en la síntesis de colágeno y otros componentes de la cutícula , lo que indica que la cutícula podría desempeñar un papel importante en la interacción con los microbios. Aunque se sabe que algunos de los genes son importantes para la extensión de la vida útil de C. elegans , los mecanismos subyacentes precisos aún no están claros.
Protección contra microbios
Ahora se ha reconocido que las comunidades microbianas que residen dentro del organismo huésped son importantes para una respuesta inmunitaria eficaz. Sin embargo, los mecanismos moleculares que subyacen a esta protección son en gran parte desconocidos. Las bacterias pueden ayudar al huésped a luchar contra los patógenos estimulando directamente la respuesta inmunitaria o compitiendo con las bacterias patógenas por los recursos disponibles. En C. elegans , algunas bacterias asociadas parecen generar protección contra patógenos. Por ejemplo, cuando C. elegans se cultiva en Bacillus megaterium o Pseudomonas mendocina , los gusanos son más resistentes a la infección con la bacteria patógena Pseudomonas aeruginosa [21], que es una bacteria común en el entorno natural de C. elegans y, por lo tanto, un posible patógeno natural. . Esta protección se caracteriza por una supervivencia prolongada en P. aeruginosa en combinación con una colonización retardada de C. elegans por el patógeno. Debido a su tamaño comparativamente grande, B. megaterium no es una fuente de alimento óptima para C. elegans , lo que resulta en un retraso en el desarrollo y una tasa de reproducción reducida. La capacidad de B. megaterium para aumentar la resistencia contra la infección por P. aeruginosa parece estar relacionada con la disminución de la tasa de reproducción. Sin embargo, la protección contra la infección por P. aeruginosa proporcionada por P. mendocina es independiente de la reproducción y depende de la vía de la proteína quinasa activada por mitógeno p38 . P. mendocina es capaz de activar la vía p38 MAPK y así estimular la respuesta inmune de C. elegans contra el patógeno. Una forma común de que un organismo se proteja contra los microbios es aumentar la fecundación para aumentar los individuos supervivientes ante un ataque. Esta defensa contra los parásitos está genéticamente ligada a las vías de respuesta al estrés y depende del sistema inmunológico innato.
Efectos sobre el desarrollo
En condiciones naturales, podría ser ventajoso para C. elegans desarrollarse lo más rápido posible para poder reproducirse rápidamente. La bacteria Comamonas DA1877 acelera el desarrollo de C. elegans . Ni TOR (diana de la rapamicina) ni la señalización de la insulina parecen mediar este efecto sobre el desarrollo acelerado. Por tanto, es posible que los metabolitos secretados de Comamonas , que podrían ser detectados por C. elegans , conduzcan a un desarrollo más rápido. Los gusanos que fueron alimentados con Comamonas DA1877 también mostraron un número reducido de crías y una vida útil reducida. Otro microbio que acelera el crecimiento de C. elegans es L. sphaericus. Esta bacteria aumentó significativamente la tasa de crecimiento de C. elegans en comparación con su dieta normal de E. coli OP50. C. elegans se cultivan y observan principalmente en un laboratorio controlado con una dieta controlada, por lo tanto, pueden mostrar tasas de crecimiento diferenciales con los microbios naturales.
Microbios patógenos
En su entorno natural, C. elegans se enfrenta a una variedad de patógenos potenciales diferentes. C. elegans se ha utilizado intensamente como organismo modelo para estudiar las interacciones huésped-patógeno y el sistema inmunológico. Estos estudios revelaron que C. elegans tiene defensas inmunes innatas que funcionan bien . La primera línea de defensa es la cutícula extremadamente resistente que proporciona una barrera externa contra la invasión de patógenos. Además, varias vías de señalización conservadas contribuyen a la defensa, incluida la vía del receptor tipo insulina DAF-2 / DAF-16 y varias vías MAP quinasa , que activan respuestas inmunitarias fisiológicas. Finalmente, el comportamiento de evitación de patógenos representa otra línea de defensa inmune de C. elegans . Todos estos mecanismos de defensa no funcionan de forma independiente, sino de forma conjunta para garantizar una respuesta de defensa óptima frente a los patógenos. Se encontró que muchos microorganismos eran patógenos para C. elegans en condiciones de laboratorio. Para identificar posibles patógenos de C. elegans , los gusanos en la etapa larvaria L4 se transfieren a un medio que contiene el organismo de interés, que es una bacteria en la mayoría de los casos. La patogenicidad del organismo se puede inferir midiendo la vida útil de los gusanos. Hay varios patógenos humanos conocidos que tienen un efecto negativo en la supervivencia de C. elegans . Sin embargo, actualmente se conocen muy pocos patógenos naturales de C. elegans .
Microbios eucariotas
Uno de los patógenos naturales de C. elegans mejor estudiados es el microsporidium Nematocida parisii , que se aisló directamente de C. elegans capturado en la naturaleza . N. parisii es un parásito intracelular que se transmite exclusivamente de forma horizontal de un animal a otro. Es probable que las esporas microsporidianas salgan de las células al interrumpir una estructura citoesquelética conservada en el intestino llamada red terminal. Parece que ninguna de las vías inmunitarias conocidas de C. elegans participa en la mediación de la resistencia contra N. parisii . Se encontraron microsporidios en varios nematodos aislados de diferentes lugares, lo que indica que los microsporidios son parásitos naturales comunes de C. elegans . El sistema N. parisii - C. elegans representa una herramienta muy útil para estudiar los mecanismos de infección de los parásitos intracelulares. Además, recientemente se encontró una nueva especie de microsporidios en un C. elegans capturado en la naturaleza que la secuenciación del genoma se ubica en el mismo género Nematocida que los microsporidios previos observados en estos nematodos. Esta nueva especie se denominó Nematocida displodere, después de un fenotipo observado en gusanos infectados tardíamente que explotan en la vulva para liberar esporas infecciosas. Se demostró que N. displodere infecta una amplia gama de tejidos y tipos de células en C. elegans , incluida la epidermis, el músculo, las neuronas, el intestino, las células de la veta y los celomocitos. Curiosamente, la mayoría de las infecciones intestinales no llegan a las etapas posteriores del parásito, mientras que la infección muscular y epidérmica prospera. Esto está en marcado contraste con N. parisii que infecta y completa todo su ciclo de vida en el intestino de C. elegans . Estas especies nematocidas relacionadas se están utilizando para estudiar los mecanismos del huésped y del patógeno responsables de permitir o bloquear el crecimiento de parásitos eucariotas en diferentes nichos de tejidos. Otro patógeno eucariota es el hongo Drechmeria coniospora , que no se ha aislado conjuntamente directamente con C. elegans de la naturaleza, pero todavía se considera un patógeno natural de C. elegans . D. coniospora se adhiere a la cutícula del gusano en la vulva, la boca y el ano y sus hifas penetran en la cutícula. De esta manera, D. coniospora infecta al gusano desde el exterior, mientras que la mayoría de patógenos bacterianos infectan al gusano desde la luz intestinal.
Patógenos virales
En 2011, se aisló el primer virus asociado de forma natural de C. elegans encontrado fuera de un laboratorio. El virus de Orsay es un virus de ARN que está estrechamente relacionado con los nodavirus . El virus no está integrado de forma estable en el genoma del huésped. Se transmite horizontalmente en condiciones de laboratorio. Una vía de ARNi antiviral es esencial para la resistencia de C. elegans contra la infección por el virus de Orsay. Hasta la fecha no ha habido un virus, otros patógenos intracelulares o parásitos multicelulares que hayan podido afectar al nematodo. Debido a esto, no podemos utilizar C. elegans como un sistema experimental para estas interacciones. En 2005, dos informes demostraron que el virus de la estomatitis vesicular (VSV), un arbovirus con una gran variedad de huéspedes invertebrados y vertebrados, podría replicarse en células primarias derivadas de embriones de C. elegans.
Patógenos bacterianos
Dos cepas bacterianas del género Leucobacter se aislaron conjuntamente de la naturaleza con las dos especies de Caenorhabditis C. briggsae y C. n. spp 11 , y se denominaron Verde 1 y Verde 2. Estas dos cepas de Leucobacter mostraron efectos patógenos contrastantes en C. elegans . Los gusanos que fueron infectados con Verde 2 produjeron una región anal deformada (fenotipo “Dar”), mientras que las infecciones con Verde 1 resultaron en un crecimiento más lento debido al recubrimiento de la cutícula con la cepa bacteriana. En cultivo líquido, los gusanos infectados con Verde 1 se pegaron con sus colas y formaron las llamadas "estrellas de gusanos". Los gusanos atrapados no pueden liberarse y finalmente mueren. Después de la muerte, C. elegans se utiliza como fuente de alimento para las bacterias. Solo las larvas en la etapa L4 parecen poder escapar por autotomía . Dividen sus cuerpos por la mitad, para que la mitad anterior pueda escapar. Los "medio gusanos" permanecen viables durante varios días. Es probable que la bacteria Gram-positiva Bacillus thuringiensis esté asociada con C. elegans en la naturaleza. B. thuringiensis es una bacteria del suelo que se utiliza a menudo en experimentos de infección con C. elegans . Produce toxinas formadoras de esporas, llamadas toxinas cristalinas (Cry), que están asociadas con las esporas. C. elegans los toma conjuntamente por vía oral. En el interior del huésped, las toxinas se unen a la superficie de las células intestinales, donde se induce la formación de poros en las células intestinales, provocando su destrucción. El cambio resultante en el medio intestinal conduce a la germinación de las esporas, que posteriormente proliferan en el cuerpo del gusano. Un aspecto del sistema C. elegans - B. thuringiensis es la alta variabilidad en la patogenicidad entre diferentes cepas. Hay cepas altamente patógenas, pero también cepas que son menos patógenas o incluso no.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Cabreiro, Filipe; Gems, David (septiembre de 2013). "Los gusanos también necesitan microbios: microbiota, salud y envejecimiento en Caenorhabditis elegans" . Medicina Molecular EMBO . 5 (9): 1300-1310. doi : 10.1002 / emmm.201100972 . PMC 3799487 . PMID 23913848 .
- Petersen, Carola; Dirksen, Philipp; Schulenburg, Hinrich (1 de marzo de 2015). "Por qué necesitamos más ecología para modelos genéticos como C. elegans". Tendencias en Genética . 31 (3): 120-127. doi : 10.1016 / j.tig.2014.12.001 . PMID 25577479 .