Molecular analysis of the innate immune response in hydra

Lange, Christina

The initial sensing of invading potential pathogenic microorganisms by pattern recognition receptors (PRRs) of the innate immune system is pivotal for the survival of the host. Nucleotide binding and oligomerization domain (NOD)-like receptors (NLRs) are a family of cytoplasmic PRRs that recognize conserved microbe-associated molecular patterns (MAMPs) or endogenous danger signals. Upon activation, these proteins trigger the release of pro-inflammatory cytokines and antimicrobial peptides (AMPs) via a variety of signal transduction cascades in mammals. All pathways have in common the initial formation of a multimeric complex of the activated NLR and downstream signalling proteins through homophilic interactions of effector domains. Many genetic variants of NLRs have been linked to chronic inflammatory disorders of the human epithelial barrier organs. Although these receptors are of fundamental importance for understanding the maintenance of the human barrier integrity not much is known about their evolutionary roots. This thesis involved screening the genomes of a variety of animal species with a focus on basal Metazoa and particularly on the freshwater polyp Hydra for NLR orthologues. It was subsequently demonstrated that the family of NLRs is evolutionary conserved and that frequently throughout animal evolution species-specific gene-amplifications occurred. Hydra is continually surrounded by potential pathogenic microorganisms and must rely on an effective epithelial defence machinery. Using Hydra as a model organism for epithelial defence, the expression profile of one of the identified Hydra NLRs, HyNLR type 1 was analysed in detail. This gene is predominantly expressed in the endodermal epithelium and is subject of alternative splicing. A co-expressed putative HyNLR-interactome has been identified as well. First functional in vitro studies using an artificially activatable chimeric protein including the N-terminal part of HyNLR type 1 could show that Hydra caspases may link NLR signalling to apoptosis as an ancient mechanism of innate immune defence. As well as a genetic background, environmental changes and an altered composition of the host’s microbiota are proposed to contribute to the development of barrier diseases. A tumour bearing Hydra strain with an altered microbial composition was analysed using histological and molecular biological techniques. The tumour was shown to be composed of female germline-determined interstitial stem cells. The tumour-like structure shows numerous parallels to oogenesis in Hydra, including lipid storage, the appearance of nurse cells and the expression of germline-specific genes. This first detailed description of tumour formation in a basal eumetazoan animal provides new possibilities for the analysis of an imbalanced tissue homeostasis.

Das initiale Erkennen eindringender potenziell pathogener Mikroorganismen durch Muster-Erkennungsrezeptoren (pattern recognition receptors (PRRs)) des angeborenen Immunsystems ist entscheidend für das Überleben des Wirts. Nucleotide binding and oligomerization domain (NOD)-like Rezeptoren (NLRs) stellen eine Familie von zytoplasmatischen PRRs dar, die konservierte Mikroben-assoziierte molekulare Muster (microbe-associated molecular patterns (MAMPs) oder endogene Gefahrsignale erkennen. Nach ihrer Aktivierung leiten diese Proteine in Säugetieren die Freisetzung proinflammatorischer Zytokine und antimikrobieller Peptide (antimicrobial peptides (AMPs)) über eine Vielfalt von Signaltransduktionskaskaden ein. Allen Signalwegen gemein ist die initiale Bildung eines multimeren Komplexes aus dem aktivierten NLR und nachgeschalteten Signalproteinen durch homophile Interaktionen ihrer Effektordomänen. Viele genetische Varianten der NLRs sind mit chronisch entzündlichen Erkrankungen der menschlichen Barriereorgane in Verbindung gebracht worden. Obwohl diese Rezeptoren von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Aufrechterhaltung der humanen Barriere Integrität sind, ist nicht viel über ihre evolutiven Wurzeln bekannt. Diese Arbeit umfasste das Überprüfen der Genome zahlreicher Tierarten mit einem besonderen Fokus auf basalen Metazoen und insbesondere auf dem Süßwasserpolypen Hydra auf Orthologe für NLRs. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Familie der NLRs evolutionär konserviert ist und dass häufig während der Evolution der Tiere artspezifische Gen-Amplifikationen aufgetreten sind. Hydra ist stets von potenziell pathogenen Mikroorganismen umgeben und auf effektive epitheliale Abwehrmechanismen angewiesen. Hydra wurde als Modellorganismus für epitheliale Abwehr benutzt und das Expressionsprofil eines der identifizierten Hydra NLRs, HyNLR type 1, detailliert untersucht. Dises Gen wird vor allem im endodermalen Epithel exprimiert und unterliegt alternativem Spleißen. Ein koexprimiertes putatives Interaktom für HyNLRs konnte ebenfalls identifiziert werden. Erste funktionelle in vitro Studien mit einem künstlich aktivierbaren chimären Protein, das den N-terminalen Bereich von HyNLR type 1 enthält, konnten zeigen, dass Hydra Caspasen die NLR Signalgebung mit Apoptose als einer alten Form der angeborenen Immunantwort verknüpfen können. Es wird vermutet, dass nicht nur ein genetischer Hintergrund, sondern auch Veränderungen der Lebensumstände und eine veränderte Komposition der Wirt-Mikrobiota an der Entstehung von Barriere-Erkrankungen beteiligt sind. Ein spontan aufgetretener Tumor in einer Hydra-Linie, die eine veränderte mikrobielle Zusammensetzung aufwies, wurde histologisch und molekularbiologisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Tumor von interstitiellen Stammzellen, die auf die weibliche Keimbahn festgelegt sind, gebildet wird. Die Tumor-artige Struktur zeigt viele Parallelen zur Hydra-Oogenese auf. Dies beinhaltet die Speicherung von Lipiden, das Auftreten von Nährzellen und die Expression von Keimbahn-spezifischen Genen. Diese erste detaillierte Beschreibung einer Tumorbildung in einem basalen Eumetazoen bietet neue Möglichkeiten für die Analyse einer gestörten Gewebehomöostase.

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Lange, Christina: Molecular analysis of the innate immune response in hydra. 2010.

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