Untersuchungen zur Auswirkung von Zigarettenrauch auf die Atemwege der Taufliege Drosophila melanogaster während vulnerabler Entwicklungsphasen

Sirocko, Karolina-Theresa

For several years, the fruit fly Drosophila melanogaster has been a well-established model system for fundamental research questions of the pathogenesis of bronchial asthma and other chronic inflammatory respiratory diseases. The main focus is set on the two central aspects of disease development, the innate immune response and the role of the airway epithelium. Chronic inflammatory respiratory diseases have a wide variety of causes which can influence each other or even be interdependent. On the one hand, endogenous, and thus genetic or epigenetic, factors can promote disease development, but on the other hand an entire spectrum of exogenous causes is also well known. In addition to exogenous factors such as air pollution, allergens, or respiratory infections, the consumption of tobacco products in particular exerts a strong and direct impact on the pathogenesis and course of disease, especially in asthma and COPD. However, there is also evidence that the inhalation of tobacco smoke has even more far-reaching effects, since it is not only consumers themselves who have an increased risk to develop a respiratory disease, but also their offspring. Further studies even suggest that this increased susceptibility occurs across generations. To answer this question in future, the primary aim of this work was to establish the fruit fly as a model system for the analysis of cigarette smoke-induced respiratory changes. For this purpose, animals were exposed to cigarette smoke during vulnerable phases of the larval development as well as in adulthood. The immediate consequences, but also the effects of confrontation with tobacco smoke later in life, were analysed using different molecular and behavioural parameters. A first indication that Drosophila may be a useful model for studying the effects of cigarette smoke was obtained by detecting cotinine. This confirms that fruit flies are able to metabolise nicotine, which is present in cigarette smoke. The decisive proof that cigarette smoke enters the respiratory system of larvae and interacts with airway epithelial cells was obtained by detecting the activated expression of different genes in smoke-exposed larvae. Therefore, the expression of the cytochrome P450 monooxygenase-encoding gene Cyp18a1 and the chaperone-encoding gene hsp70 was crucial. Cyp18a1 is a gene homologous to human Cyp1a1 and responsible for the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons, which are an essential component of tobacco smoke. On the other hand, hsp70 is an evolutionary very primordial and conserved gene that is expressed in particular in response to oxidative stress. In this way, it could be shown that both larvae and imagoes take up cigarette smoke despite the lack of active breathing, react physiologically to it and even show a sexual dimorphism in their response to the confrontation with tobacco smoke. But the exposure to cigarette smoke had not only direct effects, but also impact on the fly’s behaviour. Although smoke did not directly lead to morphological changes in the respiratory epithelium, animals showed reduced activity and reduced survival rate, especially males. Effects manifested during the juvenile developmental phase persisted and could be detected in adult animals. Whether this is a first indication of an epigenetic and thus intergenerational manifestation remains subject to further investigations. Extensive analysis of the airway transcriptome of cigarette smoke-exposed larvae showed that numerous genes and signaling cascades were modulated. Among them, there was a large set of genes that are characteristic for exposure to cigarette smoke. But also, genes which have human orthologues that are relevant in respiratory diseases such as asthma and COPD like genes of innate immunity and genes associated with respiratory organogenesis or restructuring processes were strongly regulated. In summary, the fruit fly Drosophila melanogaster is an ideal model for the investigation of fundamental questions of the direct effects of cigarette smoke on the respiratory system and the entire organism. Now, this model opens the unique opportunity to investigate epigenetic effects as well as consequences in inter- and transgenerations in future.

Die Taufliege Drosophila melanogaster ist seit Jahren ein etabliertes Modell bei der Erforschung grundlegender Fragestellungen bezüglich der Pathogenese von Asthma bronchiale und anderer chronisch-entzündlicher Atemwegserkrankungen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf zwei zentralen Aspekten der Krankheitsentstehung, zum einen der Beteiligung der angeborenen Immunantwort und zum anderen der Rolle, die das Atemwegsepithel dabei spielt. Von chronisch-entzündlichen Atemwegserkrankungen ist bekannt, dass ihre Ursachen sehr vielseitig sein können und sich dabei gegenseitig beeinflussen oder sogar interdependent sein können. Zum einen können endogene - also genetische oder epigenetische - Faktoren die Krankheitsentstehung begünstigen, zum anderen ist inzwischen auch ein ganzes Spektrum exogener Ursachen wohl bekannt. Neben äußeren Faktoren wie Luftverschmutzung, Allergene oder Atemwegsinfektionen übt besonders der Konsum von Tabakwaren einen starken und direkten Einfluss auf die Pathogenese und den Krankheitsverlauf insbesondere von Asthma und COPD aus. Inzwischen gibt es aber auch Hinweise darauf, dass die Inhalation von Tabakrauch noch weitreichender ist, denn es sind nicht nur die Konsumenten selbst, die ein erhöhtes Risiko haben zu erkranken, sondern auch ihre Nachkommen. Und erste Studien deuten sogar darauf hin, dass diese erhöhte Krankheitssuszeptibilität generationsübergreifend ist. Um dieser Frage zukünftig auf den Grund gehen zu können, war das primäre Ziel dieser Arbeit, die Taufliege als Modellsystem für Analysen Zigarettenrauch-induzierter Atemwegsveränderungen zu etablieren. Hierzu wurden Tiere sowohl während vulnerabler Phasen ihrer larvalen Entwicklung, also während der juvenilen Lebensphase, als auch im Erwachsenenalter Zigarettenrauch ausgesetzt. Welche unmittelbaren Folgen, aber auch welche Auswirkungen die Konfrontation mit Tabakrauch auf den späteren Verlauf des Lebens hat, wurde mit unterschiedlichen molekularbiologischen und verhaltensbiologischen Parametern analysiert. Ein erster Hinweis darauf, dass Drosophila ein für die Erforschung der Auswirkungen von Zigarettenrauch dienliches Modell sein kann, gelang durch den Nachweis von Cotinin, das bestätigt, dass die Taufliege in der Lage ist, das im Zigarettenrauch enthaltene Nikotin zu metabolisieren. Der entscheidende Nachweis, dass Zigarettenrauch in die Atemwege der Larven gelangt und mit den Zellen des respiratorischen Epithels interagiert, gelang durch die Detektion der Expressionsaktivierung unterschiedlicher Gene im Atemwegsepithel der mit Rauch konfrontierten Larven. Dabei war die Expression des Cytochrom P450 Monooxygenase-kodierenden Gens Cyp18a1 und des Chaperon-kodierenden Gens hsp70 maßgeblich. Denn Cyp18a1 ist ein dem humanen Cyp1a1 homologes und für den Abbau von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die ein wesentlicher Bestandteil von Tabakrauch sind, verantwortliches Gen. Hsp70 hingegen ist ein evolutionär sehr ursprüngliches und konserviertes Gen, welches insbesondere als Reaktion auf oxidativen Stress exprimiert wird. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass Larven, aber auch Imagines, trotz fehlender aktiver Atmung Zigarettenrauch aufnehmen, physiologisch darauf reagieren und sogar einen sexuellen Dimorphismus in ihrer Antwort auf die Konfrontation mit Tabakrauch aufweisen. Aber die Exposition mit Zigarettenrauch hatte nicht nur direkte Effekte, sondern auch verhaltensbiologische Auswirkungen. Obwohl Zigarettenrauch nicht unmittelbar zu morphologischen Veränderungen des Atemwegsepithels führte, reagierten Tiere mit verminderter Aktivität und einer reduzierten Überlebensrate, insbesondere männliche Individuen. Während der juvenilen Entwicklungsphase manifestierten Effekte waren persistent und konnten nach der Metamorphose der Larve zur Imago auch im erwachsenen Tier nachgewiesen werden. Ob dies ein erster Hinweis auf eine epigenetische und somit eine generationsübergreifende Manifestation ist, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen. Umfassende Analysen des Transkriptoms des Atemwegsepithels Zigarettenrauch-exponierter Larven zeigten, dass zahlreiche Gene und Kaskaden moduliert wurden. Darunter waren eine Vielzahl an Genen, die charakteristisch für eine Konfrontation mit Zigarettenrauch sind, aber auch Gene, deren humane Orthologe Relevanz bei Atemwegserkrankungen wie Asthma und COPD haben. Beispielsweise wurden Gene des angeborenen Immunsystems und Gene, die im Zusammenhang mit der Atemwegsorganogenese oder Umstrukturierungsprozessen stehen, stark reguliert. Zusammengefasst ist es mit dieser Arbeit gelungen mit der Taufliege Drosophila melanogaster ein ideales Modell für die Erforschung grundlegender Fragestellungen der unmittelbaren Auswirkungen von Tabakrauch auf die Atemwege und den ganzen Organismus zu etablieren. Dieses Modell eröffnet nun die einzigartige Möglichkeit, zukünftig epigenetische Effekte sowie inter- und transgenerationale Auswirkungen zu erforschen.

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Sirocko, Karolina-Theresa: Untersuchungen zur Auswirkung von Zigarettenrauch auf die Atemwege der Taufliege Drosophila melanogaster während vulnerabler Entwicklungsphasen. 2020.

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