Genomic insights into molecular interactions of two bacteroidetes symbionts with their eukaryotic hosts

Thomas Penz

doi:10.25365/thesis.34104

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1310955

Title (eng)

Genomic insights into molecular interactions of two bacteroidetes symbionts with their eukaryotic hosts

Author

Thomas Penz

Advisor

Matthias Horn

Assessor

Wolfgang Miller

Claudio Bandi

Abstract (deu)

In der Natur gibt es vielfältige Assoziationen von Bakterien mit Insekten und einfachen Eukaryoten wie Protozoen. Der Acanthamoeben Endosymbiont Amoebophilus asiaticus sowie Cardinium hertigii, ein Bakterium, das die Reproduktion von Schlüpfwespen beeinflussen kann gehören zum relativ diversen Phylum der Bacteroidetes. Beide dieser Endosymbionten sind mit anderen gut charakterisierten Endosymbionten aus diesem Phylum nur entfernt verwandt und bilden gemeinsam eine Schwesterlinie. Zusätzlich haben die Genome von Amoebophilus und Cardinium viele Gemeinsamkeiten. In dieser Arbeit konnte mittels vergleichender Genomanalyse gezeigt werden, dass Amoebophilus und Cardinium sehr reduzierte Genome haben und einen von einem Prophagen abstammenden Sekretionsapparat besitzen. Dieser Sekretionsapparat ist einem defekten Prophagen von dem Insektenpathogen Serratia entomophila von der genetischen Organisation her sehr ähnlich. Mittels qPCR und Massenspektrometrie konnte gezeigt werden, dass dieser Sekretionsapparat sehr stark während des infektiösen extrazellulären Stadiums im komplexen Lebenszyklus des Acanthamoeben Endosymbionts Amoebophilus exprimiert wird. Der Lebenszyklus von Amoebophilus wurde mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung, Cryo und Transmissions Elektronenmikroskopie charakterisiert. Der Sekretionsapparat spielt eine sehr entscheidende Rolle in der Translokation von Effektorproteinen, die die Wirts Symbionten Interaktion vermitteln und bei der Wirtsmanipulation wichtig sind. Die Auswirkung der Wirtsmanipulation des Wespensymbionts Cardinium ist schwerwiegend. Bei einer Kreuzung von Symbionten infizierten Wespenmännchen mit nicht infizierten Wespenweibchen gibt es keine Nachkommen. Dies erhöht die relative Fitness von infizierten Weibchen und führt zur Verbreitung dieser strikt mütterlich vererbten Symbionten in der Wirtspopulation. Der Phänotyp, der zu dieser Inkompatibilität in der Vermehrung des Wirtes führt wird cytoplasmatische Inkompatibilität genannt. Cytoplasmatische Inkompatibilität wird auch von den entfernt verwandten Wolbachien ausgelöst. Mit vergleichender Genomanalyse unter der Verwendung von „next generation“ Sequenzierungs Plattformen konnte gezeigt werden, dass cytoplasmatische Inkompatibilität in beiden Bakterien unterschiedlichen evolutionären Ursprungs ist. Starke Effekte auf die Genomevolution in Symbionten können mobile genetische Elemente wie Phagen, Plasmide oder Transposasen haben. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der evolutionären Beschreibung des Genoms von Amoebophilus, das von transposablen genetischen Elementen übersät ist. Zusammenfassend trägt diese Arbeit nicht nur zum besseren Verständnis der Evolution von Wirts Symbionten Interaktion zweier Bacteroidetes Symbionten bei, sondern liefert auch einen neuen Kontext für das bessere Verständnis von cytoplasmatischer Inkompatibilität und stellt neues Wissen über Bakterien, die die Reproduktion von Insektenschädlingen beeinflussen können, bereit.

Abstract (eng)

Stable associations of bacteria with protozoa and insects are widespread and frequently found in nature. Bacteria of different phyla can be symbionts of these eukaryotes. The Acanthamoeba endosymbiont Amoebophilus asiaticus and the reproductive manipulator of parasitic wasps Cardinium hertigii belong to the diverse phylum of the Bacteroidetes. Both endosymbionts are distantly related to other symbionts within this phylum and phylogentic analyses place these two symbionts together as sister lineages. Interestingly, the genomes of Amoebophilus and Cardinium have many features in common. In this thesis I could show via comparative genome analysis that Amoebophilus and Cardinium have reduced genomes and encode for a putative, phage-derived secretion system. This phage-derived secretion system is similar to a defective prophage described in the genome of the entomopathogen Serratia entomophila. With qPCR and protein mass spectrometry data we could show that this putative secretion system is highly expressed in the infective extracellular stage of the complex life cycle of the Acanthamoeba endosymbiont Amoebophilus, which was described with fluorescence in situ hybridization, cryo and electron microscopy. The putative secretion apparatus might play an important role in the translocation of effector proteins to modulate host-cell interaction and might thus be important in host manipulation. The outcome of host manipulation of the wasp endosymbiont Cardinum is severe. Crosses between symbiont-infected males and uninfected females result in reproductive failure, which is increasing the relative fitness of infected females and thus leads to the spreading of the strictly maternally transmitted symbiont in the host population. The phenotype causing reproductive failure is called cytoplasmic incompatibility and is also found in the distantly related insect endosymbiont Wolbachia. With comparative genome analysis based on next generation sequencing platforms, we could show that in both cytoplasmic incompatibility-inducing bacteria, cytoplasmic incompatibility is of independent evolutionary origin. Profound effects in genome evolution of symbiotic bacteria are caused by mobile genetic elements such as phages, plasmids and transposable elements. A substantial part of this thesis is devoted to the analysis of the genome of Amoebophilus, which is overrun by transposable elements. In conclusion, this thesis does not only increase the knowledge and understanding of evolution and host-cell interaction of two Bacteroidetes symbionts, it also provides a novel comparative context for understanding the mechanistic basis of cytoplasmic incompatibility and substantially increases our knowledge on reproductive manipulator symbionts that may serve as powerful tools in insect pest management.

Keywords (eng)

SymbiosisAmoebophilus asiaticusCardinium hertigiicytoplasmic inkompatibilityanti-feeding prophage

Keywords (deu)

SymbioseAmoebophilus asiaticusCardinium hertigiicytoplasmatische Inkompatibilitätanti-feeding Prophage

Subject (deu)

Mikrobiologie

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1310955

DOI

10.25365/thesis.34104