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Description of two novel and as-yet uncultured endosymbionts of Acanthamoeba spp.
Stefanie Michels
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Molekulare Mikrobiologie, Mikrobielle Ökologie und Immunbiologie
Betreuer*in
Matthias Horn
DOI
10.25365/thesis.41599
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13934.01751.790459-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Eine Endosymbiose beschreibt die völlige Internalisierung eines Bakteriums durch eine Reihe unterschiedlicher Eukaryoten und gewinnt als neueres Studienfeld mehr und mehr an Bedeutung. Die meisten dieser Bakterien haben eine enge und andauernde Verbindung zu ihren Wirtszellen entwickelt und schließen viele Vertreter der Phyla Alphaproteobakterien, Betaproteobakterien, Bakteroidetes, Chlamydien und seit kurzem auch Gammaproteobakterien ein. Die Diversität der obligaten intrazellulären Symbionten von Amöben, ihre Bandbreite an Wirten und globale Verbreitung in der Umwelt wurde bisher stark unterschätzt und die Bakterien sind selten identifiziert oder mangelhaft beschrieben worden.
In dieser Studie galt es einen grünfarbenen, mikrobiellen Biofilm zu analysieren, der von der Wand einer Meereshöhle der hawaiianischen Inseln stammte. Wir isolierten freilebende Amöben mithilfe einer „Auswanderungs“-Methode um nach erfolgreicher Axenisierung mögliche intrazelluläre Bakterien zu detektieren. Fluoreszenz in situ Hybridisierung und 16S rRNA Gensequenzierung waren Mittel zur Identifizierung von zwei neuartigen Endosymbionten. Diverse phylogenetische Bäume zeigten, dass sich HSC3 innerhalb der Parachlamydiaceae Familie einreiht und HSC8 sehr wahrscheinlich eine neue Familie innerhalb der Betaproteobakterien bildet. Solch intime und komplexe Interaktionen zwischen Amöben und intrazellulären Bakterien machen eine tiefgehendere Charakterisierung dieser neuartigen Endosymbionten sehr interessant. Deswegen sollte zu allererst eine Analyse der Ausbreitungskapazität durchgeführt werden, da diese ausschlaggebend für das Überleben unter rauen Umweltbedingungen und die globale Verbreitung der Bakterien ist.
Sowohl HSC3 als auch HSC8 gelang eine permanente und volle Infektion diverser Acanthamoeba spp., konnten aber keine nicht-phagozytischen Zellen, wie menschliche HeLa229 Zellen oder S2 Insektenzellen infizieren. Im Gegensatz zu ihren nächsten pathogenen Verwandten, scheinen diese Endosymbionten keine rezeptorabhängige Endozytose hervorzurufen oder es fehlen ihnen die notwendigen Membranproteine, wie sie zum Beispiel bei den Vertretern der Chlamydiales vorkommen. Die Beschreibung der Lebenszyklen innerhalb der Wirtszellen, der Einfluss der Bakterien auf Überleben und Wachstum der Amöben, sowie die Fähigkeit ohne Wirtszelle infektiös zu bleiben, belegten, dass beide Organismen HSC3 und HSC8 als Endosymbionten statt Parasiten eingestuft werden können. Obwohl wir beobachtet haben, dass die Bakterien die Vermehrung der Wirtszellen verlangsamen, konnte kein direkt zerstörerischer Effekt (Lyse) bei der Übertragung infektiöser Partikel festgestellt werden. Höchstwahrscheinlich liegt bei beiden Endosymbionten ein nicht-lytischer Ausscheidungsmechanismus vor. Weitere Befunde zeigten, dass die Chlamydien HSC3 ihre Infektivität über 7 Tage in verschiedensten nährstoffreichen und –armen Wachstumsmedien beibehalten, obwohl keine Wirtszellen vorhanden waren. Dass HSC3 Ebs ebenso lange überleben, wenn gar keine Nährstoffe zugegen sind, kann ein Hinweis auf ihre extreme Persistenz sein. Sowohl das reine Überleben in Abwesenheit einer Wirtszelle, als auch die Fähigkeit über einen längeren Zeitraum trotzdem infektiös zu bleiben, sind wahrscheinlich wichtige Kriterien für ihre biologische Rolle als extrazelluläre Überlebens- und Verbreitungsformen. So ist es ihnen möglich, sich sehr schnell und effektiv an ungewohnte Lebensräume anzupassen. Im Gegensatz zu den Chlamydien, scheinen die Betaproteobakterien HSC8 weit weniger persistent zu sein. Für eine weiterführende und detailliertere, molekulare Charakterisierung, wäre die Sequenzierung und Analyse des gesamten Genoms der beiden Organismen HSC3 und HSC8 sehr effizient.
Abstract
(Englisch)
Endosymbiosis involves the internalization of bacterial organisms by a variety of eukaryotes, a field of study gaining more and more recognition. Most of these bacteria have developed intimate and long–term associations with their amoeba hosts and include members of the phyla Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Bacteroidetes, Chlamydiae very recently also Gammaproteobacteria. Diversity of obligate intracellular symbionts of amoebae, their host range and global distribution in the environment have been highly underestimated and the bacteria have rarely been identified or poorly described.
In this study, the sample analyzed was a green colored microbial biofilm of a littoral cave wall from the Hawaiian Islands. Free-living amoebae were isolated from the biofilm using a “walk out” method, then axenized to eliminate their necessity of food bacteria. A Fluorescence in situ hybridization and 16S rRNA full–cycle approach allowed identification of two novel endosymbiotic bacteria. According to various phylogenetic trees, HSC3 clusters within the Parachlamydiaceae family and HSC8 is very likely a member of a novel family within the Betaproteobacteria. Such an intimate and complex symbiotic interaction between host amoeba and endosymbiotic bacteria is the key feature that encourages a further in-depth characterization of the novel endosymbionts. These enclose first of all the analysis of host range, as by extending the host range, endosymbionts might be able to further assure their survival in harsh environments and global distribution.
Both HSC3 and HSC8 were able to permanently infect various Acanthamoeba spp. strains, but remained incapable of invading non-phagocytic eukaryotic cells neither human HeLa229 nor insect S2 cells. In contrast to their pathogenic relatives, these endosymbionts might not be able to trigger receptor-mediated endocytosis or lack important membrane proteins unique to Chlamydiales. By a further description of infection cycles in host amoebae, their impact on amoebae growth and fitness and finally their ability of extracellular survival and maintenance of infectivity, we characterized HSC3 and HSC8 as endosymbiotic bacteria, rather than parasites. Indeed, they seemed to slow down the amoebal replication rate, but overall no direct detrimental effect on amoebal fitness was observed. Bacteria-induced host cell lysis most likely played no major role in the transmission of infective particles. For both endosymbionts, we suggest a non-lytic mode of exit from the host. Our findings of host-free incubation of chlamydial HSC3 showed sustained infectivity over more than 7 days in different nutrient-rich and nutrient-free growth media in the absence of host cells. As HSC3 EBs survive despite the lack of allegedly essential substrates, we suppose they might be environmentally persistent. Indeed host-free survival capacity and maintenance of infectivity of HSC3 and HSC8 very likely provide a link to their biological role as extracellular survival and dispersal forms as well as to quick adaption to a host-free environment. In contrast to HSC3, few survivors of Betaproteobacteria HSC8 were observed after 4 days of host-free incubation, suggesting a less persistent extracellular form.
To lead on the study, whole genome sequencing of the strains HSC3 and HSC8 will provide an efficient means of acquiring data relevant to the more detailed molecular characterization of the endosymbionts.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Symbiosis Acanthamoeba Chlamydia Betaproteobacteria
Schlagwörter
(Deutsch)
Symbiose Acanthamoeba Chlamydia Betaproteobacteria
Autor*innen
Stefanie Michels
Haupttitel (Englisch)
Description of two novel and as-yet uncultured endosymbionts of Acanthamoeba spp.
Paralleltitel (Deutsch)
Beschreibung von zwei neuartigen und bisher unkultivierten Endosymbionten in Acanthamoeba spp.
Publikationsjahr
2016
Umfangsangabe
119 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Matthias Horn
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
42 Biologie > 42.97 Ökologie: Sonstiges
AC Nummer
AC13232829
Utheses ID
36824
Studienkennzahl
UA | 066 | 830 | |