Summary

Den nematodeprøveudtagning Caenorhabditis Elegans - en alsidig In Vivo Model til at studere Host-mikrobe interaktioner

Published: October 18, 2017
doi:

Summary

Vi præsenterer her, nematode Caenorhabditis elegans som en alsidig host model til at studere mikrobielle interaktion.

Abstract

Vi demonstrere en metode ved hjælp af Caenorhabditis elegans som model vært for at studere mikrobielle interaktion. Mikrober er indført via kosten gør tarmen den primære placering for sygdom. Ødelægge tarmen strukturelt og funktionelt efterligner pattedyr tarmene og er gennemsigtige, hvilket gør den modtagelig til mikroskopisk undersøgelse af kolonisering. Her viser vi, at patogener kan forårsage sygdom og død. Vi er i stand til at identificere mikrobielle mutanter, der viser ændrede virulens. Dens bevarede medfødte svar til biotiske understreger gør C. elegans et fremragende system at sonde facetter host medfødte immun interaktioner. Vi viser, at værter med mutationer i gen, dobbelt oxidase ikke kan producere reaktive ilt arter og er i stand til at modstå mikrobielle fornærmelse. Vi demonstrere yderligere alsidighed af præsenteres overlevelse analyse ved at vise, at det kan bruges til at studere virkningerne af hæmmere af mikrobiel vækst. Denne analyse kan også bruges til at opdage svampe virulens faktorer som mål for udviklingen af roman svampedræbende stoffer, samt give mulighed for at afdække yderligere host-mikrobe interaktioner. Udformningen af dette assay egner sig godt til høj overførselshastighed hele-genom skærme, mens evne til cryo-Bevar orme til fremtidig brug gør det en omkostningseffektiv og attraktive hele dyr model til at studere.

Introduction

C. elegans har været brugt som en kraftfuld model organisme i mere end 50 år. I 1960 ‘ erne banebrydende sydafrikanske biolog Sydney Brenner brugen af C. elegans at studere neuronal udvikling, baner vejen for en lang slægt af forskere til at studere forskellige aspekter af celle og dyr biologi i nematoder. Denne slægt omfatter nobelpristagere Craig Mello og Andrew Fire for deres RNAi arbejde1, Robert Horvitz og John Sulston for deres arbejde på orgel udvikling og apoptose2,3,4, og Martin Chalfie for hans arbejde på grøn fluorescerende proteiner5. Selvom denne model organisme har traditionelt været brugt til at studere molekylære og udviklingsmæssige biologi, over de sidste 15 år, er forskere begyndt at bruge C. elegans at undersøge forskellige menneskelige patogener herunder Pseudomonas biologi aeruginosa, Staphylococcus aureusog Salmonella enterica Serratia marcescens6,7,8,9,10. Disse undersøgelser afslørede, at mange af de mekanismer, der er involveret i den menneskelige-patogen interaktion er bevaret i nematoder, men også at der er nogle immunitet mekanismer, der er unikke for denne model organisme11,12. I naturen, C. elegans møder en række trusler fra indtagne patogener i jorden og det har givet en stærk selektivt pres til at udvikle og vedligeholde en sofistikeret medfødte immunsystem i sin intestinal lumen. Mange af de gener og mekanismer involveret i beskyttelse af intestinal lumen er orkestreret af yderst bevares elementer, som også findes i højere pattedyr11,13. C. elegans repræsenterer derfor et stor model til at studere gastrointestinale patogener som Salmonella enterica14, Shigella boydii15eller Vibrio kolera16.

Her fremhæve vi det bemærkelsesværdige alsidighed af C. elegans som model vært at studere smitstoffer som C. albicans. C. elegans som model vært giver mulighed for high throughput screening for virulens, der er mindre dyre og tidskrævende end en musemodel, som er almindeligt brugt til at studere candidiasis42.

I denne undersøgelse, vi viser, at denne model og assosiated overlevelse assay kan være pålideligt anvendes til at studere vært medfødte immun effektorer vigtigt at modvirke infektioner, patogen determinanter, der drive virulens, og farmakologiske forbindelser der kan gribe ind i patogenesen. Ulig tidligere beskrevet assays, denne metode giver et middel til at studere eksponering en patogen over levetiden af dyr fra larve scenen til voksenalderen, snarere end kun voksenalderen død43,44. I Resumé, vores C. elegans – er C. albicans model et alsidigt og kraftfuldt værktøj, der kan bruges ikke kun til at studere det genetiske grundlag, at drive infektion og immunitet, men også at identificere nye stoffer til terapeutisk intervention.

Protocol

1. forberedelse af fyrretræsnematoden vækst Medium (NGM) For 1 L medier, kombinere 20 g agar, 2,5 g organisk kvælstof kilde (f.eks., bacto-pepton) og 3 g natriumchlorid i en 2 L kolbe. Tilføje 975 mL sterilt vand. Tilføj i sterile rør bar. Hvis ved hjælp af en automatisk media skænkeprop, autoklave slanger og medier for 15 min; medierne bør være autoklaveres for længere hvis en større mængde er lavede. Medier på røre pladen, og afk?…

Representative Results

En patogenese assay (figur 1) ved hjælp af C. albicans og C. elegans er tidligere blevet beskrevet af vores lab17,18 og andre labs19,20. Vi vise imødekommenhed ved C. elegans for at studere C. albicans virulens viser at C. albicans celler hurtigt indtages af orme og ophobes i intestinal lumen for?…

Discussion

Metoder til paavisning C. elegans infektion og overlevelse over livslange eksponering for C. albicans , vi har beskrevet kan ændres for at teste en anden patogen. Flydende kulturer af en anden bakterier eller svamp kan lavet og fodres til C. elegans på en lignende måde. Derudover seriel infektioner kan analyseres ved først at udsætte larve til et patogen, som beskrevet, og derefter overføre dyr ind på en ny plade der indeholder en separat patogen efter at have nået voksenalderen.

<p…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev udført på og støttet af Worcester Polytechnic Institute.

Materials

Agar (granulated, bacterilogical grade) Apex BioResearch Products 20-248
Aluminum Wire (95% Pt, 32 Gauge) Genesee Scientific 59-1M32P
Axiovision Zeiss Inverted Microscope Axiovision Zeiss
Bacto-Peptone Fisher BioReagants BP1420-500
C. elegans strain Bli-3 Caenorhabditis Genetics Center Bli-3(e767) CB767
Calcium Chloride Fisher Scientific BP51-250
Cholesterol, Sigma Grade, minimum 99% Sigma C8667-25G
Disposable Culture Tubes (20 x 150 mm) FIsherBrand 14-961-33
Dissection Microscope (NI-150 High Intensity Illuminator) Nikon Instrument Inc.
E. coli Caenorhabditis Genetics Center OP50
GraphPad Prism (Survival Curve Analysis Software) GraphPad Software
LB Broth (Miller's) Apex BioResearch Products 11-120
Magnesium Sulfate Fisher Scientific 10034-99-8
Medium Petri Dishes (35 X 10 mm) Falcon 353001
Potassium Phosphate monobasic Sigma P0662-500G
Sodium Chloride Fisher Scientific BP358-1
Sodium Phosphate Fisher Scientific BP332-500
Wildtype C. albicans SC5314 ATCC SC5314
Wildtype C. elegans Caenorhabditis Genetics Center N2

References

  1. Fire, A., et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature. 391 (6669), 806-811 (1998).
  2. Ellis, H. M., Horvitz, H. R. Genetic control of programmed cell death in the nematode C. elegans. Cell. 44 (6), 817-829 (1986).
  3. Hengartner, M. O., Ellis, R. E., Horvitz, H. R. Caenorhabditis elegans gene ced-9 protects cells from programmed cell death. Nature. 356 (6369), 494-499 (1992).
  4. Sulston, J. E., Horvitz, H. R. Post-embryonic cell lineages of the nematode, Caenorhabditis elegans. Dev Biol. 56 (1), 110-156 (1977).
  5. Chalfie, M., Tu, Y., Euskirchen, G., Ward, W. W., Prasher, D. C. Green fluorescent protein as a marker for gene expression. Science. 263 (5148), 802-805 (1994).
  6. Kong, C., Yehye, W. A., Abd Rahman, N., Tan, M. W., Nathan, S. Discovery of potential anti-infectives against Staphylococcus aureus using a Caenorhabditis elegans infection model. BMC Complement Altern Med. 14, 4 (2014).
  7. Marsh, E. K., May, R. C. Caenorhabditis elegans, a model organism for investigating immunity. Appl Environ Microbiol. 78 (7), 2075-2081 (2012).
  8. Kaletta, T., Hengartner, M. O. Finding function in novel targets: C. elegans as a model organism. Nat Rev Drug Discov. 5 (5), 387-398 (2006).
  9. Sem, X., Rhen, M. Pathogenicity of Salmonella enterica in Caenorhabditis elegans relies on disseminated oxidative stress in the infected host. PLoS One. 7 (9), e45417 (2012).
  10. Irazoqui, J. E., et al. Distinct pathogenesis and host responses during infection of C. elegans by P. aeruginosa and S. aureus. PLoS Pathog. 6, e1000982 (2010).
  11. Kim, D. H., et al. A conserved p38 MAP kinase pathway in Caenorhabditis elegans innate immunity. Science. 297 (5581), 623-626 (2002).
  12. Bae, T., et al. Staphylococcus aureus virulence genes identified by bursa aurealis mutagenesis and nematode killing. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (33), 12312-12317 (2004).
  13. Couillault, C., et al. TLR-independent control of innate immunity in Caenorhabditis elegans by the TIR domain adaptor protein TIR-1, an ortholog of human SARM. Nat Immunol. 5 (5), 488-494 (2004).
  14. Aballay, A., Drenkard, E., Hilbun, L. R., Ausubel, F. M. Caenorhabditis elegans innate immune response triggered by Salmonella enterica requires intact LPS and is mediated by a MAPK signaling pathway. Curr Biol. 13 (1), 47-52 (2003).
  15. Kesika, P., Balamurugan, K. Studies on Shigella boydii infection in Caenorhabditis elegans and bioinformatics analysis of immune regulatory protein interactions. Biochem Biophys Acta. 1824 (12), 1449-1456 (2012).
  16. Cinar, H. N., et al. Vibrio cholerae hemolysin is required for lethality, developmental delay, and intestinal vacuolation in Caenorhabditis elegans. PLoS One. 5 (7), e11558 (2010).
  17. Jain, C., Pastor, K., Gonzalez, A. Y., Lorenz, M. C., Rao, R. P. The role of Candida albicans AP-1 protein against host derived ROS in in vivo models of infection. Virulence. 4 (1), 67-76 (2013).
  18. Jain, C., Yun, M., Politz, S. M., Rao, R. P. A pathogenesis assay using Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans reveals novel roles for yeast AP-1, Yap1, and host dual oxidase BLI-3 in fungal pathogenesis. Eukaryot Cell. 8 (8), 1218-1227 (2009).
  19. Tampakakis, E., Okoli, I., Mylonakis, E. A C. elegans-based, whole animal, in vivo screen for the identification of antifungal compounds. Nat. Protoc. 3 (12), 1925-1931 (2008).
  20. Pukkila-Worley, R., Ausubel, F. M., Mylonakis, E. Candida albicans infection of Caenorhabditis elegans induces antifungal immune defenses. PLoS Pathog. 7 (6), e1002074 (2011).
  21. Dieterich, C., et al. In vitro reconstructed human epithelia reveal contributions of Candida albicans EFG1 and CPH1 to adhesion and invasion. Microbiology. 148 (Pt 2), 497-506 (2002).
  22. Chen, C. G., et al. Non-lethal Candida albicans cph1/cph1 efg1/efg1 transcription factor mutant establishing restricted zone of infection in a mouse model of systemic infection. Int J Immunopathol Pharmacol. 19 (3), 561-565 (2006).
  23. Ricicova, M., et al. Candida albicans biofilm formation in a new in vivo rat model. Microbiology. 156 (Pt 3), 909-919 (2010).
  24. Fazly, A., et al. Chemical screening identifies filastatin, a small molecule inhibitor of Candida albicans adhesion, morphogenesis, and pathogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (33), 13594-13599 (2013).
  25. Lo, H. J., et al. Nonfilamentous C. albicans mutants are avirulent. Cell. 90 (5), 939-949 (1997).
  26. Koh, A. Y., Kohler, J. R., Coggshall, K. T., Van Rooijen, N., Pier, G. B. Mucosal damage and neutropenia are required for Candida albicans dissemination. PLoS Pathog. 4 (2), e35 (2008).
  27. McDonough, K. A., Rodriguez, A. The myriad roles of cyclic AMP in microbial pathogens: from signal to sword. Nat Rev Microbiol. 10 (1), 27-38 (2011).
  28. Sonneborn, A., Tebarth, B., Ernst, J. F. Control of white-opaque phenotypic switching in Candida albicans by the Efg1p morphogenetic regulator. Infect Immun. 67 (9), 4655-4660 (1999).
  29. Li, F., Palecek, S. P. EAP1, a Candida albicans gene involved in binding human epithelial cells. Eukaryot Cell. 2 (6), 1266-1273 (2003).
  30. Staib, P., Kretschmar, M., Nichterlein, T., Hof, H., Morschhauser, J. Transcriptional regulators Cph1p and Efg1p mediate activation of the Candida albicans virulence gene SAP5 during infection. Infect Immun. 70 (2), 921-927 (2002).
  31. Korting, H. C., et al. Reduced expression of the hyphal-independent Candida albicans proteinase genes SAP1 and SAP3 in the efg1 mutant is associated with attenuated virulence during infection of oral epithelium. J .Med Microbiol. 52 (Pt 8), 623-632 (2003).
  32. Chamilos, G., et al. Drosophila melanogaster as a facile model for large-scale studies of virulence mechanisms and antifungal drug efficacy in Candida species. J Infect Dis. 193 (7), 1014-1022 (2006).
  33. Brothers, K. M., Newman, Z. R., Wheeler, R. T. Live imaging of disseminated candidiasis in zebrafish reveals role of phagocyte oxidase in limiting filamentous growth. Eukaryot Cell. 10 (7), 932-944 (2011).
  34. Brennan, M., Thomas, D. Y., Whiteway, M., Kavanagh, K. Correlation between virulence of Candida albicans mutants in mice and Galleria mellonella larvae. FEMS Immunol Med Microbiol. 34 (2), 153-157 (2002).
  35. Mallo, G. V., et al. Inducible antibacterial defense system in C. elegans. Curr Biol. 12 (14), 1209-1214 (2002).
  36. Chavez, V., Mohri-Shiomi, A., Maadani, A., Vega, L. A., Garsin, D. A. Oxidative stress enzymes are required for DAF-16-mediated immunity due to generation of reactive oxygen species by Caenorhabditis elegans. Génétique. 176 (3), 1567-1577 (2007).
  37. Moy, T. I., Mylonakis, E., Calderwood, S. B., Ausubel, F. M. Cytotoxicity of hydrogen peroxide produced by Enterococcus faecium. Infect Immun. 72 (8), 4512-4520 (2004).
  38. Hoeven, R., McCallum, K. C., Cruz, M. R., Garsin, D. A. Ce-Duox1/BLI-3 generated reactive oxygen species trigger protective SKN-1 activity via p38 MAPK signaling during infection in C. elegans. PLoS Pathog. 7 (12), e1002453 (2011).
  39. Meitzler, J. L., Ortiz de Montellano, P. R. Caenorhabditis elegans and human dual oxidase 1 (DUOX1) "peroxidase" domains: insights into heme binding and catalytic activity. J Biol Chem. 284 (28), 18634-18643 (2009).
  40. Issi, L., et al. Zinc Cluster Transcription Factors Alter Virulence in Candida albicans. Génétique. 205 (2), 559-576 (2017).
  41. Ford, C. B., et al. The evolution of drug resistance in clinical isolates of Candida albicans. Elife. 4, e00662 (2015).
  42. Naglik, J. R., Fidel, P. L., Odds, F. C. Animal models of mucosal Candida infection. FEMS microbiology letters. 283 (2), 129-139 (2008).
  43. Garsin, D. A., et al. A simple model host for identifying Gram-positive virulence factors. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (19), 10892-10897 (2001).
  44. Sifri, C. D., Begun, J., Ausubel, F. M., Calderwood, S. B. Caenorhabditis elegans as a Model Host for Staphylococcus aureus Pathogenesis. Infection and immunity. 71 (4), 2208-2217 (2003).
  45. Jain, C., Yun, M., Politz, S. M., Rao, R. P. A pathogenesis assay using Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans reveals novel roles for yeast AP-1, Yap1, and host dual oxidase BLI-3 in fungal pathogenesis. Eukaryotic cell. 8 (8), 1218-1227 (2009).
check_url/fr/56487?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Issi, L., Rioux, M., Rao, R. The Nematode Caenorhabditis Elegans – A Versatile In Vivo Model to Study Host-microbe Interactions. J. Vis. Exp. (128), e56487, doi:10.3791/56487 (2017).

View Video