Untersuchung der Rolle von REL2 in der Immunität von Mücken

Mücken sind dafür bekannt, Krankheiten zu übertragen, darunter auch Malaria, die eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellt. Ein wichtiger Bestandteil des Immunsystems der Mücken ist ein Protein namens REL2. Dieses Protein hilft Mücken, Bakterien und Malariaparasiten abzuwehren. Zu verstehen, wie REL2 funktioniert, könnte helfen, Wege zu finden, die Ausbreitung von Malaria zu kontrollieren.

#Was ist REL2?

REL2 ist ähnlich einem Protein in fruchtfliegen, das Relish heisst. Bei Mücken wird REL2 als Reaktion auf Krankheitserreger wie Bakterien und Malaria aktiviert. Wenn eine Mücke auf eine Bedrohung trifft, löst REL2 eine Reihe von Aktionen aus, die zur Produktion von antimikrobiellen Peptiden (AMPS) führen. Diese AMPs sind entscheidend, um der Mücke zu helfen, sich gegen Infektionen zu verteidigen.

#Wie REL2 funktioniert

REL2 gibt's in zwei Formen: REL2-F und REL2-S. REL2-F ist die längere Version und hat Teile, die verhindern, dass es in den Zellkern gelangt, wo es seine Funktion erfüllt. Wenn REL2-F gespalten wird, wird ein Abschnitt freigesetzt, der als Rel-Homologiedomäne (RHD) bezeichnet wird, und es kann in den Zellkern wandern. Im Gegensatz dazu ist REL2-S eine kürzere Version, die einige dieser Teile nicht hat, aber ihre genaue Rolle ist noch nicht gut verstanden.

Wenn die Mücke Krankheitserreger erkennt, wird ein Prozess namens Imd-Weg ausgelöst. Dieser Weg aktiviert REL2, das dann die Produktion von AMPs und anderen Immunfaktoren steigert.

#Die Auswirkungen der Stilllegung von Caspar

Caspar ist ein Protein, das normalerweise als negativer Regulator des Imd-Wegs agiert, was bedeutet, dass es die Immunantwort verlangsamen kann. Forschungen haben gezeigt, dass die Stilllegung von Caspar erhebliche Auswirkungen auf die Fähigkeit der Mücke hat, gegen Malaria zu kämpfen. Dieser Effekt wurde bei mehreren Anopheles-Mückenarten beobachtet, die bekannt dafür sind, Malaria zu übertragen.

Im Gegensatz dazu verbessert die Expression von REL2 in bestimmten Mücken-Geweben die Produktion von Abwehrproteinen wie Defensinen und Cecropinen, was zu einer geringeren Anfälligkeit gegenüber Malariaparasiten führt.

#Veränderung von Mückenpopulationen

Aufbauend auf früheren Studien wollten die Forscher herausfinden, ob die Erhöhung von REL2-S in der Mückenmittelguthöhle nach einer Blutmahlzeit helfen könnte, Malaria zu eliminieren. Sie wollten eine Technik namens Integral Gene Drive (IGD) verwenden, um dieses Merkmal in den Mückenpopulationen zu verbreiten. Die Idee war, REL2-S und eine Führungs-RNA in das Genom der Mücken zu integrieren, um das Cas9-Enzym, das DNA schneiden kann, bei dieser Veränderung zu unterstützen.

Die Forscher hatten zuvor gezeigt, dass sie das Mückengenom effektiv mit minimalen negativen Auswirkungen auf die Fitness verändern konnten. Trotz dieser Erwartungen zeigten ihre Ergebnisse, dass die blosse Überexpression von REL2 im Mittelgut keine tragfähige Strategie zur Veränderung von Mückenpopulationen ist. Das lag teilweise an einer fehlenden starken Immunantwort und nur moderaten Effekten auf die Malaria-Infektionsraten.

#Schaffung transgener Mücken

Um die Auswirkungen von REL2 zu untersuchen, schufen die Forscher eine transgene Linie von Anopheles gambiae-Mücken, die REL2-S überexprimiert. Sie taten dies, indem sie REL2-S in ein spezifisches Wirtgen, das CP heisst und bekannt dafür ist, nach einer Blutmahlzeit aktiv im Mittelgut exprimiert zu werden, einfügten. Die Modifikation zielte darauf ab, sicherzustellen, dass REL2-S produziert werden kann, wenn die Mücken sich ernähren.

Als die Forscher genetische Tests durchführten, bestätigten sie, dass die transgenen Individuen tatsächlich REL2-S in ihren Darmzellen exprimierten.

#Beobachtung der Proteinlokalisation

Da bekannt ist, dass CP im Mittelgut aktiv ist, nahmen die Forscher an, dass auch REL2-S in diesem Bereich zu finden sein würde. Sie verwendeten eine Technik namens Immunfluoreszenz, um die Lokalisierung von REL2-S sichtbar zu machen. Ihre Ergebnisse zeigten eine starke nukleare Expression von REL2-S in den Darmzellen von Mücken, die kürzlich gefressen hatten, und bestätigten, dass es wie erwartet richtig lokalisiert war.

#Untersuchung phänotypischer Merkmale

Die Forscher bewerteten, wie sich die transgenen REL2-CP-Mücken im Vergleich zu Wildtyp (WT) Mücken hinsichtlich Fortpflanzung und Überleben verhalten. Sie entdeckten, dass die REL2-CP-Linie eine signifikante Reduktion der Ei-Produktion aufwies, aber keine nennenswerte Änderung der Schlüpfrate der Larven zeigte. Ausserdem waren die Überlebensraten der Weibchen im Vergleich zu WT-Mücken niedriger.

Als die Forscher die REL2-CP-Linie auf Infektionen mit dem Malariaparasiten P. falciparum testeten, stellten sie einen Rückgang der Parasitenzahlen im Vergleich zu den Kontrollmücken fest; jedoch war diese Veränderung statistisch nicht signifikant.

#Untersuchung des Potenzials für Gene Drive

Um das Potenzial für Gene Drive in den modifizierten Mücken zu erkunden, kreuzten die Forscher die REL2-CP-Linie mit einer anderen Linie, die das Cas9-Enzym trug. Der Nachwuchs dieser Kreuzungen zeigte hohe Erblichkeitsraten für die REL2-CP-Modifikation, vergleichbar mit anderen erfolgreichen transgenen Linien.

#Erstellung einer CP-Knockout-Stamm

Um die Rolle des CP-Gens selbst in den beobachteten Veränderungen zu identifizieren, wurde ein anderer Mückenstamm erstellt, bei dem das CP-Gen ausgeschaltet wurde. Entgegen den Erwartungen zeigte dieser Knockout-Stamm keine signifikanten Fitnessnachteile im Vergleich zur Kontrolle.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das CP-Protein für das Überleben der Mücke möglicherweise nicht entscheidend ist, was darauf hindeutet, dass die Fitnesskosten, die mit der REL2-CP-Linie verbunden sind, hauptsächlich mit der Expression von REL2 und nicht mit reduzierten CP-Spiegeln zusammenhängen.

#Breite transkriptionaler Veränderungen nach Blutmahlzeit

Als die Forscher die Genexpression in den REL2-CP-Mücken nach dem Fressen untersuchten, fanden sie heraus, dass REL2-S weitreichende Veränderungen in der Genaktivität verursachte. Es wurde bestätigt, dass REL2-S tatsächlich überexprimiert wurde, was zu einem signifikanten Rückgang der CP-Expression führte.

Eine grosse Anzahl von Genen wurde nach dem Fressen hoch- oder herunterreguliert, was darauf hindeutet, dass REL2-S erhebliche Auswirkungen auf die Biologie der Mücke hatte, die die Immunfunktion, den Stoffwechsel und die Fortpflanzung beeinflussen könnten.

#Analyse immunbezogener Gene

Trotz der Veränderungen in der Genexpression bemerkten die Forscher, dass die erwartete Hochregulierung immunbezogener Gene nicht wie angenommen eintrat. Während einige Immun-Gene hochreguliert waren, reagierten viele nicht auf die REL2-S-Überexpression, was zu der Schlussfolgerung führte, dass REL2 möglicherweise als Repressor für einige dieser Gene und nicht als Aktivator wirkt.

#Auswirkungen auf die Oogenese

Das Forschungsteam untersuchte auch Gene, die mit der Eientwicklung und -produktion in Verbindung stehen. Sie fanden mehrere Gene, die mit diesem Prozess verbunden waren, die in den REL2-CP-Mücken herunterreguliert wurden. Diese Herunterregulierung könnte die geringere Anzahl von Eiern erklären, die von diesen Mücken produziert wurde.

Die Expression von Genen, die mit dem Metabolismus des juvenilen Hormons in Verbindung stehen, das entscheidend für das Legen von Eiern ist, wurde ebenfalls untersucht. Einige dieser Gene waren nach dem Fressen hochreguliert, was auf Veränderungen in der hormonellen Regulation hindeuten könnte, die sich auf die Fortpflanzung auswirken könnten.

#Verständnis regulatorischer Mechanismen

Um Einblicke zu gewinnen, wie REL2-S die Genexpression steuert, analysierten die Forscher die DNA-Regionen stromaufwärts der von REL2 betroffenen Gene. Sie suchten nach Transkriptionsfaktoren, die entweder helfen könnten, diese Gene zu aktivieren oder zu unterdrücken. Mehrere Faktoren, die bekannt dafür sind, als Repressoren zu fungieren, wurden in Gegenwart von REL2-S hochreguliert, was auf ein komplexes Netzwerk hindeutet, in dem REL2-S möglicherweise indirekt zur Genrepression beiträgt.

#Fazit

Die Ergebnisse dieser Studie heben die Komplexität der Veränderung von Mückenpopulationen durch genetische Ansätze hervor. Während REL2 das Potenzial hat, die Immunität von Mücken zu verbessern, führte seine Überexpression nicht zu dem erwarteten Anstieg der Resistenz gegen Parasiten. Stattdessen resultierte sie in verschiedenen nachteiligen Auswirkungen auf Fortpflanzung und Fitness. Eine weitere Erforschung der dabei wirkenden Mechanismen wird entscheidend sein, um zu verstehen, wie genetische Modifikationen bei Mücken effektiv für die Kontrolle von Malaria genutzt werden können.

Laufende Forschungen werden sich darauf konzentrieren, Ansätze zu optimieren, um die Immunantworten in Mücken zu verbessern, mit dem Ziel, effektive Strategien zur Reduzierung der Malariaübertragung zu entwickeln, während die allgemeine Fitness der Mückenpopulationen erhalten bleibt. Die Wechselwirkungen zwischen Immunantworten, Stoffwechsel und Fortpflanzung werden Schlüsselaspekte für zukünftige Studien im Kampf gegen Malaria sein.