Μελέτη του συμβιωτικού βακτηρίου Wolbachia: μια γονιδιωματική προσέγγιση

Abstract

Many bacterial species have established symbiotic relationships with higher eukaryotic organisms such as plants, animals or even humans. Wolbachia, an alpha-proteobacterium belonging to the Rickettsiales order, is an obligate intracellular and maternally inherited bacterium found in arthropods (especially insects) and nematodes. In insect hosts, Wolbachia is characterized as a reproductive parasite which can cause cytoplasmic incompatibility, parthenogenesis, feminization and male killing. Recent studies indicate that hundred thousands of insect species, the most speciose animal phylum, harbor these bacteria, making it the most abundant intracellular bacterium on the planet. Studies of Wolbachia symbiotic relationships have three main goals: (a) to study the ecological success of this bacterium as exemplified by the wide spectrum of hosts, (b) to study the contribution of Wolbachia to speciation processes (and, consequently, to biodiversity increase), and (c) to study the molecular mechanism underlying the reproductive alterations induced by Wolbachia, in order to develop environmentally friendly methods of pest control. This thesis focuses on the comparative study of Wolbachia genomes. In the second chapter, genes contained in the Wolbachia genome were studied. Most of the times, ORF prediction algorithms are trained using sequences that are not very appropriate for the prediction of phylogenetically distant species. In the framework of this thesis, it was found that use of sequences originating from closely related symbiotic bacteria, identifies genes that were not detected in the official annotation of the genome. In downstream experiments that followed, most of these genes were found to be expressed. Such genes may be specific to the symbiotic lifestyle and very possible take part in the host-symbiont interaction. However, since, they are not part of the official annotation, their biological significance remains unexplored. Chapter three describes a comparative study, using the Long PCR and CGH techniques, of genomes of closely related Wolbachia strains that nevertheless differ in the reproductive effects they have on their respective hosts. It was seen that, in contrast to all other bacteria, the divergence between the strains is fairly large, despite the close relatedness of the strains. This divergence was due to prophages and ankyrin genes, as well as the multitude of transposable elements found in the genome sequence of virtually each Wolbachia strain. The divergent genomic areas were identified and future analysis may show that some of them harbor genes participating in the expression of reproductive alterations caused by Wolbachia.

Πολλά βακτηριακά είδη έχουν αναπτύξει συμβιωτικές σχέσεις με ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς όπως φυτά, ζώα και άνθρωπο. Η Wolbachia (α-Πρωτεοβακτήρια, Rickettsiales) είναι ένα υποχρεωτικά ενδοκυττάριο και μητρικά κληρονομούμενο βακτήριο που απαντά στα αρθρόποδα (κυρίως στα έντομα) και τους νηματώδεις. Στα έντομα έχει αναπτύξει συμβιωτικές σχέσεις αναπαραγωγικού παρασιτισμού προκαλώντας κυτταροπλασματική ασυμβατότητα, παρθενογένεση, θηλυκοποίηση, θανάτωση των αρσενικών. Πρόσφατες μελέτες εκτιμούν ότι εκατομμύρια είδη εντόμων, τα οποία αποτελούν την πιο πολυπληθή σε αριθμό ειδών ομάδα του ζωϊκού βασιλείου, πιθανόν να συμβιώνουν με τη Wolbachia, που αναμφίβολα αποτελεί το πιο διαδεδομένο συμβιωτικό βακτήριο πάνω στον Πλανήτη. Η μελέτη των συμβιωτικών σχέσεων που αναπτύσσει η Wolbachia αποσκοπεί στη διερεύνηση: (α) της οικολογικής επιτυχίας της Wolbachia όπως αυτή εκδηλώνεται από την ποικιλία των ξενιστών στους οποίους απαντά το βακτήριο, (β) της συμβολής της Wolbachia σε διαδικασίες ειδογένεσης (και κατά συνέπεια στη διατήρηση και αύξηση της βιοποικιλότητας), και (γ) του μοριακού μηχανισμού των αναπαραγωγικών ανωμαλιών που επάγονται από τη Wolbachia με σκοπό την ανάπτυξη περιβαλλοντικά φιλικών μεθόδων ελέγχου επιβλαβών ειδών εντόμων και ασθενειών. Η συμβολή της παρούσας διατριβής στο γνωστικό πεδίο του βακτηρίου Wolbachia εστιάζεται στη συγκριτική μελέτη του γονιδιώματος της Wolbachia. Αρχικά, στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάται το περιεχόμενο του γονιδιώματος από την άποψη των γονιδίων που αυτό περιέχει. Τις περισσότερες φορές, ο αλγόριθμος πρόβλεψης ORF εκπαιδεύεται με αλληλουχίες που δεν είναι οι καταλληλότερες ώστε να είναι ακριβής η πρόβλεψη. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής βρέθηκε πως η χρήση αλληλουχιών που προέρχονται από συγγενικά ή ενδοσυμβιωτικά βακτήρια, έχει ως αποτέλεσμα την εύρεση γονιδίων που δεν έχουν βρεθεί κατά τον επίσημο χαρακτηρισμό του γονιδιώματος και μάλιστα, τα γονίδια αυτά εκφράζονται. Τέτοια γονίδια είναι πιθανό να παίζουν ρόλο στην αλληλεπίδραση της Wolbachia με τον ξενιστή. Στο τρίτο κεφάλαιο, μελετάται με συγκριτικό τρόπο, χρησιμοποιώντας τις τεχνικές Long PCR και CGH, το γονιδίωμα συγγενικών στελεχών Wolbachia τα οποία όμως διαφέρουν ως προς τις αναπαραγωγικές επιδράσεις που προκαλούν στους ξενιστές τους. Διαπιστώθηκε ότι, αντίθετα με ό,τι συμβαίνει σε οποιονδήποτε άλλο μικροοργανισμό, η διαφορά μεταξύ των στελεχών είναι αρκετά μεγάλη παρότι πρόκειται για οργανισμούς εξαιρετικά συγγενικούς.