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Background: The causative agent of Chagas disease, Trypanosoma cruzi, and its nonpathogenic relative, Trypanosoma rangeli, are transmitted by haematophagous triatomines and undergo a crucial ontogenetic phase in the insect’s intestine. In the process, the parasites interfere with the host immune system as well as the microbiome present in the digestive tract potentially establishing an environment advantageous for development. However, the coherent interactions between host, pathogen and microbiota have not yet been elucidated in detail. We applied a metagenome shotgun sequencing approach to study the alterations in the microbiota of Rhodnius prolixus, a major vector of Chagas disease, after exposure to T. cruzi and T. rangeli focusing also on the functional capacities present in the intestinal microbiome of the insect.
Results: The intestinal microbiota of R. prolixus was dominated by the bacterial orders Enterobacterales, Corynebacteriales, Lactobacillales, Clostridiales and Chlamydiales, whereas the latter conceivably originated from the blood used for pathogen exposure. The anterior and posterior midgut samples of the exposed insects showed a reduced overall number of organisms compared to the control group. However, we also found enriched bacterial groups after exposure to T. cruzi as well as T rangeli. While the relative abundance of Enterobacterales and Corynebacteriales decreased considerably, the Lactobacillales, mainly composed of the genus Enterococcus, developed as the most abundant taxonomic group. This applies in particular to vectors challenged with T. rangeli and at early timepoints after exposure to vectors challenged with T. cruzi. Furthermore, we were able to reconstruct four metagenome-assembled genomes from the intestinal samples and elucidate their unique metabolic functionalities within the triatomine microbiome, including the genome of a recently described insect symbiont, Candidatus Symbiopectobacterium, and the secondary metabolites producing bacteria Kocuria spp.
Conclusions: Our results facilitate a deeper understanding of the processes that take place in the intestinal tract of triatomine vectors during colonisation by trypanosomal parasites and highlight the influential aspects of pathogen-microbiota interactions. In particular, the mostly unexplored metabolic capacities of the insect vector’s microbiome are clearer, underlining its role in the transmission of Chagas disease.
Weltweit werden etwa 17% aller Infektionskrankheiten von Vektoren auf den Menschen übertragen. Dabei dienen meist blutsaugende Arthropoden wie Stechmücken, Zecken oder Sandfliegen als Überträger von Bakterien, Viren oder einzelligen Parasiten. Zur letzteren Gruppe gehört auch der protozoische Erreger der Chagas-Krankheit Trypanosoma cruzi. Er wird von hämatophagen Triatominae, einer Unterfamilie der Raubwanzen (Hemiptera: Reduviidae) während der Blutmahlzeit an einem infizierten Säugerwirt aufgenommen, durchläuft komplexe Entwicklungsschritte im intestinalen Trakt der triatominen Insekten und wird anschließend über den Fäzes und Urin der Wanzen abgegeben. Die Infektion des nächsten Wirts erfolgt dann durch das versehentliche Einreiben der Erreger in die Stichwunde oder auf Schleimhäute. Auch eine Infektion über die orale Aufnahme von kontaminierter Nahrung, Mutter-Kind-Infektionen und die Übertragung durch Blutkonserven und Organtransplantate sind möglich. Die Chagas‑Krankheit, oder auch Amerikanische Trypanosomiasis, ist insbesondere in Mittel- und Südamerika verbreitet und betrifft nach Schätzungen der WHO 6 bis 7 Millionen Menschen. Infolge von globaler Immigration und erhöhtem Reiseverkehr treten jedoch in den letzten Jahrzehnten auch vermehrt Fälle in Europa, den USA, Kanada und den westlichen Pazifikstaaten auf. Da dort bislang geeignete Vektoren fehlen, kommt es außerhalb des lateinamerikanischen Kontinents nicht zu vektorübertragenen Infektionen. Dies könnte sich jedoch im Zuge des Klimawandels und einer voranschreitenden Globalisierung ändern, sollte der Ausbreitung der Chagas-Krankheit eine Ausbreitung ihrer triatominen Vektoren folgen.
Inwieweit Triatominae unter heutigen Bedingungen klimatisch geeignete Habitate außerhalb des amerikanischen Kontinents finden, wurde innerhalb des ersten Projekts der vorliegenden Dissertation untersucht. Dazu wurde mit Hilfe der ökologischen Nischenmodellierung und Vorkommensdaten verschiedener vektorkompetenter Raubwanzenarten sowie klimatischer Umweltvariablen die klimatische Eignung verschiedenster Lebensräume modelliert und global projiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere tropische und subtropische Gebiete Afrikas sowie Ost- und Südostasiens zwischen 21° nördlicher Breite und 24° südlicher Breite für viele triatomine Vektorarten geeignete Bedingungen aufweisen. Auffällig ist dabei insbesondere die Art Triatoma rubrofasciata, welche nachweislich bereits in Südchina, Vietnam und weiteren Ländern Afrikas und Asiens gefunden wurde. Die Modellierung
offenbarte, dass weitere ausgedehnte Teile der Küstenregionen Afrikas und Südostasiens als für T. rubrofasciata klimatisch geeignet angesehen werden müssen. Eine weitere Ausbreitung dieser Art ist demnach äußerst wahrscheinlich und stellt bislang das größte Risiko autochthon übertragener Chagas-Infektionen außerhalb des amerikanischen Kontinents dar. Es konnten außerdem zwei triatomine Arten identifiziert werden, namentlich T. infestans und T. sordida, welche in gemäßigten Klimazonen geeignete Habitate finden. Zu diesen gehören beispielsweise Neuseeland und Teile Australiens, aber auch südeuropäische Länder wie Spanien, Italien, Griechenland und Portugal. Da mit einer Ausweitung der klimatisch geeigneten Gebiete infolge des sich verändernden Klimas zu rechnen ist, wäre ein Monitoring der Vektoren, wie es bereits in Südchina etabliert ist, aber insbesondere die Einführung der Meldepflicht für Amerikanische Trypanosomiasis in diesen Regionen sinnvoll. Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass die bisher vernachlässigte Tropenkrankheit Chagas nicht allein ein Problem des lateinamerikanischen Kontinents ist, sondern deren Erforschung vielmehr weltweit Beachtung finden sollte.
So konzentrierten sich die folgenden Forschungsprojekte der Promotion verstärkt auf die Mechanismen, welche die Entwicklung und Transmission des Parasiten und die Interaktion mit seinen Vektoren betreffen. Von besonderem Interesse waren dabei die ökologischen Prozesse, welche bei der Kolonisation des Darmtrakts der Vektoren durch T. cruzi ablaufen und essentiell für die Proliferation und damit die Übertragung des Parasiten sind. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die mit dem Vektor assoziierten Mikroorganismen und ihre funktionellen Fähigkeiten – zusammengefasst als Mikrobiom bezeichnet. Dieses erfüllt wichtige physiologische Funktionen des Insekts und kann beispielsweise das Immunsystem und die Detoxifikation beeinflussen. Um die Veränderungen der organismischen Zusammensetzung und der funktionellen Kapazitäten, welche die Infektion mit dem Pathogen im Darmtrakt der Vektoren auslösen, zu untersuchen, wurde ein metagenomischer Shotgun Sequenzierungsansatz gewählt. Die daraus resultierenden Datensätze wurden anschließend bioinformatisch ausgewertet und auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und metabolischen Fähigkeiten hin untersucht. Es zeigte sich zunächst, dass das Bakterium Rhodococcus rhodnii, welches lange als alleiniger echter Symbiont des untersuchten Vektors Rhodnius prolixus galt, in seiner Funktionalität nicht einzigartig im Mikrobiom des Insekts ist. ...
Trypanosoma cruzi, the causative agent of Chagas disease, colonizes the gut of triatomine insects, including Rhodnius prolixus. It is believed that this colonization upsets the microbiota that are normally present, presumably switching the environment to one more favorable for parasite survival. It was previously thought that one particular bacterium, Rhodococcus rhodnii, was essential for insect survival due to its ability to produce vital B-complex vitamins. However, these bacteria are not always identified in great abundance in studies on R. prolixus microbiota. Here we sequenced the microbiota of the insect anterior midgut using shotgun metagenomic sequencing in order to obtain a high-resolution snapshot of the microbes inside at two different time points and under two conditions; in the presence or absence of parasite and immediately following infection, or three days post-infection. We identify a total of 217 metagenomic bins, and recovered one metagenome-assembled genome, which we placed in the genus Dickeya. We show that, despite Rhodococcus being present, it is not the only microbe capable of synthesizing B-complex vitamins, with the genes required for biosynthesis present in a number of different microbes. This work helps to gain a new insight into the microbial ecology of R. prolixus.