Regulation and modulation of the innate immune response via neuronal and endocrine signals in the fruit fly Drosophila melanogaster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stress ist seit langem als Risikofaktor für die Entstehung und Verschlimmerung von chronischen Erkrankungen beim Menschen bekannt. Er induziert die Ausschüttung von Stresshormonen wie biogenen Aminen (BAs), die modulierend sowohl auf die angeborene als auch adaptive Immunantwort wirken können. Die genauen Signalwege und Wechselwirkungen sind bisher allerdings kaum verstanden und lassen sich aufgrund ihrer hohen Komplexität in Modellorganismen wie der Maus nur schwer aufklären. Daher wurde in diesem DFG-geförderten Projekt das einfache Modellsystem Drosophila melanogaster verwendet, um den Einfluss von Stresshormonen auf das angeborene Immunsystem zu untersuchen. Im Gegensatz zu höher entwickelten Modellsystemen besitzt die Fliege ausschließlich ein angeborenes Immunsystem, bestehend aus Makrophagen-ähnlichen, phagozytotisch aktiven Zellen – den Hämozyten – und dem Fettkörper, einem Gewebe, dessen immunologische Hauptaufgabe die Sekretion antimikrobieller Peptide (AMP) ist. Die Signalwege der angeborenen Immunantwort in der Fliege besitzen eine hohe Ähnlichkeit zu denen des Menschen (z. B. Toll-Rezeptoren, NF-κB-Signalwege). Auch Stress-assoziierte BAs wie Dopamin oder das mit Norepinephrin chemisch verwandte Octopamin (Oct), stoßen in Fliege und Mensch dieselben intrazellulären Signalwege an. Das Ziel dieses Projektes war es aufzuklären, ob die BAs Octopamin, Tyramin, Dopamin und Serotonin die zelluläre und/oder humorale Immunantwort in der Fliege modulieren. Durch weitestgehend zellbasierte Experimente konnte innerhalb der mit diesem Projekt assoziierten Doktorarbeit zunächst keine deutliche immunmodulierende Wirkung der BAs auf die zelluläre Immunantwort nachgewiesen werden. In-vivo Infektionsversuche unter Zuhilfenahme von Knockout-Fliegen, in denen jeweils ein octopaminerger Rezeptor nicht exprimiert werden konnte, deuteten jedoch auf eine immunologisch bedeutsame Rolle von Octopamin hin. Besonders weibliche Fliegen mit einem defekten octopaminergen Rezeptor Octβ1R oder Octβ2R stachen durch eine stark verminderte Überlebensrate nach Infektion mit dem gramnegativen Bakterium Pectobacterium carotovorum hervor. Dieser Effekt konnte in Männchen nicht beobachtet werden, was auf eine geschlechtsspezifische Wirkung von Octopamin hinweist. Zudem konnten wir beobachten, dass im Vergleich zum entsprechenden Wildtyp in infizierten Octß1R bzw. Octß2R-defizienten Weibchen die bakterielle Belastung nach 24 h und für Octß1R auch noch nach 48 bzw. 120 h signifikant höher war. Somit scheint in weiblichen Fliegen, der Octopamin-Signalweg essentiell für die erfolgreiche Bekämpfung einer bakteriellen Infektion zu sein. Um die Bedeutung der Octopamin-Rezeptoren Octß1R und Octß2R für die zelluläre Immunantwort genauer zu untersuchen, wurden Fluoreszenz-markierte pHrodo E.coli Biopartikel in weibliche, adulte Fliegen sowie Larven der Mutanten Octß1R bzw. Octß2R injiziert und die Phagozytoseaktivität der Primärhämozyten bestimmt. Unabhängig vom Entwicklungsstadium war diese in den Knockouts gegenüber denen des Wildtyps signifikant vermindert. Parallel bestimmten wir das Expressionslevel der wichtigsten AMP-Gene zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der Infektion. Hierbei zeigte sich, dass im Vergleich zur Wildtypkontrolle die meisten AMP-Gene 10 Stunden nach Infektionsbeginn in OctßR- defizienten Tieren stärker exprimiert wurden. Octß1R bzw. Octß2R-defiziente Fliegen können aufgrund einer eingeschränkten Phagozytoserate eingedrungene Bakterien nicht effizient bekämpfen. Als Folge nimmt die bakterielle Belastung im Tier individuell zu, was die zur Phagozytose zeitlich versetzte und kompensatorisch verstärkte Expression verschiedenerer antimikrobieller Peptide nach sich zieht. Diese Kompensationsreaktion schützt höchstwahrscheinlich circa 70% der infizierten Tiere unmittelbar vor dem Tod. Abschließend lässt sich festhalten, dass Octopamin in der Fliege, ähnlich wie Norepinephrin im Menschen, eine immunmodulatorische Bedeutung hat. Die Fliege kann daher in Zukunft ideal genutzt werden, um hochkonservierte Signalwege in Zellen des angeborenen Immunsystems zu identifizieren, die in der Fliege durch Octopamin bzw. im Menschen durch Norepinephrin moduliert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Untersuchungen zur Modulation der zellulären Immunantwort durch biogene Amine in der Taufliege Drosophila melanogaster, ver. Diss., Christian-Albrechts-Universität Kiel, 2017
Papenmeier, Stephanie
