Untersuchung genetischer Grundlagen der Benzimidazol Resistenz bei Nematoden unter Verwendung statistischer und populationsgenetischer Ansätze in Caenorhabditis elegans.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
esistenzen von parasitären Nematoden gegen eine Vielzahl von Anthelmintika wie den Benzimidazolen (BZ) ist ein weitverbreitetes Problem in der Veterinärmedizin. Darüber hinaus mehren sich die Hinweise, dass sich Resistenzen im vergleichbaren Maß auch in humanpathogenen Nematoden entwickeln könnten. Zwar hat das "Caenorhabditis elegans"-Labormodel bedeutend dazu beigetragen die molekularen Angriffspunkte der meisten anti-nematizider Stoffklassen zu identifizieren, die molekularen Mechanismen die zu Resistenzen in natürlichen Populationen von Nematoden führen sind hingegen noch weitgehend unbekannt. Allerdings haben sich in den letzten Jahren die Hinweise gemehrt das Resistenzen in parasitären Nematoden komplexe Merkmale darstellen, die durch vielfältige genetische Faktoren beeinflusst werden. Um diese globale Bedrohung zu mindern ist ein detailliertes Verständnis von Resistenzmechanismen notwendig. Dieses kann zum einen entscheidend dazu beitragen den gezielten Einsatz von Anthelmintika zu optimieren und zum anderen die Entwicklung neuer Substanzklassen mit resistenz-brechenden Eigenschaften unterstützen. In der durchgeführten Studie wurde die Resistenz gegen insgesamt sechs verbreitete BZ mit Hilfe natürlich auftretender genetischer Variation in C. elegans untersucht. Hierzu wurden 240 genetisch diverse C. elegans Wildisolate mittels eines Hochdurchsatz-Assays auf ihre Sensitivität gegenüber BZ untersucht und dabei eine breite Varianz festgestellt. Um Abschnitte im Genom zu identifizieren, welche zu den beobachteten Phenotypen führen haben wir genom-weite Assoziationsstudien (GWA) durchgeführt. Im Rahmen dieser Studien konnten zahlreiche quantitative Trait-Loci (QTL) identifiziert werden, die signifikant mit der beobachteten BZ Resistenz der untersuchten Nematoden Population assoziiert sind. Neben einem gemeinsamen "QTL"-Muster das für alle BZ nachgewiesen werden konnte, wurden auch QTL gefunden die spezifisch für einzelne BZ Derivate waren. Dies unterstützt die Hypothese, dass mehrere unabhängige Resistenz-Mechanismen in der Assay-Population existieren. Ein zusätzlich angewandter gene burden-Test zur Identifizierung von Resistenzen gegen das Breitband BZ, Albendazol (ABZ), lieferte Hinweise auf eine signifikante Assoziation zwischen genetischer Variation im ben-1 Lokus und verringerter ABZ-Sensitivität. Eine manuelle Kurration der Sequenzdaten entsprechender C. elegans Stämme offenbarte ein breites Spektrum an genetischer Variation in diesem Lokus, einschließlich Aminosäure-Substitutionen, Alternative Stop-Codons aber auch strukturelle Varianten wie Insertionen und Deletionen. Insgesamt konnten wir 25 einzigartige ben-1 Allele identifizieren, welche größtenteils zum potentiellen Verlust der Genfunktion führen und mit einer ABZ-Resistenz assoziiert waren. Abschließend wurden diese Ergebnisse mittels CRISPR/Cas9 validiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sowohl eine ben-1 Deletion als auch das häufigste Resistenz-Allel in beta-Tubulin-Genen parasitärer Nematoden (F200Y) ein hohes Maß an Resistenz in den ansonsten ABZ-sensitiven N2 Stamm induziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2018. Extreme allelic heterogeneity at a Caenorhabditis elegans beta-tubulin locus explains natural resistance to benzimidazoles. PLoS Pathog. 2018 Oct 29;14(10):e1007226
Hahnel SR, Zdraljevic S, Rodriguez BC, Zhao Y, McGrath PT, Andersen EC
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1007226)
