Anpassung an Wirte und Vektoren in durch Zecken übertragenen menschlichen Pathogenen der Gattung Borrelia

• Antragstellerin: Dr. Noémie Becker
• Fachliche Zuordnung: Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten ; Evolution, Anthropologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393903649

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Lyme Borreliose ist eine schlimme Krankheit, die von Bakterien des Genus Borrelia übertragen wird. Diese Bakterien werden vom Wirt zu Wirt von Zecken übertragen und die Wirte sind meistens Vögel oder Nagetiere. Eine unbehandelte Infektion in Menschen kann die Haut, die Gelenke oder das Nervensystem betreffen und anhaltende Symptome verursachen. Es gibt mehrere Borrelia Arten, die sich sowohl in der geographischen Verbreitung, in den Arten der Wirte und Vektoren, die benutzt werden, sowie in den üblichen Symptomen unterscheiden. Wissenschaftler können die Borrelia Bakterien aus Zecken, Wirten oder Patienten isolieren, kultivieren und dann ihre Genome untersuchen. Um die Evolution dieser Bakterien zu verstehen, und dadurch zum Beispiel auch, warum welche Borrelia Arten Menschen infizieren können, und andere nicht, müssen wir die Anpassung dieser Bakterien an deren natürliche Wirte und Vektoren studieren. Unser Projekt fokussierte auf drei Borrelia Arten, die in Europa und Asien verbreitet sind, wo sie die Zeckenarten Ixodes ricinus (Europa) und Ixodes persulcatus (Asien) nutzen. Diese drei Borrelia Arten haben unterschiedliche Wirte: Vögel für Borrelia garinii und Nagetiere für Borrelia bavariensis und Borrelia afzelii. Alle drei können Lyme Borreliose im Menschen verursachen. Unser Ziel war es, Borrelia aus Zecken zu isolieren, die wir in Deutschland, Russland und Japan sammelten, um deren Genom zu untersuchen. Mit diesen Daten, studierten wir, wie die Anpassung an zwei verschiedenen Vektoren und an zwei verschiedenen Wirten, die Evolution dieser Bakterien beeinflusst hat. Wir sammelten im Laufe des Projektes über 2000 Zecken, isolierten über 180 neue Borrelia und untersuchten deren Genom. Wir fanden, und das war unser wichtigstes Ergebnis, dass alle drei Borrelia Arten ihr Herkunft in Asien in der Zecke Ixodes persulcatus haben. Alle drei kolonisierten Europa durch das Anpassen an Ixodes ricinus. Diese Anpassung erfolgte erstaunlicherweise in drei komplett unterschiedlichen Szenarien in den drei Arten. Der Vogel-anpgeasste Borrelia garinii scheint, seinen Vektor regelmäßig wechseln zu können, wobei die Nagetier-angepassten Arten viel seltener zwischen Kontinente wanderten. Dank unserer neuen Isolate, konnten wir auch besondere Genen untersuchen, die bei der Umgehung des humanen Immunsystems bei Borrelia eine Rolle spielen. Wir zeigten, dass diese Gene, die der so-genannten PFam54 Familie angehören, sehr zwischen Isolaten variieren. Die meisten wissenschaftlichen Studien über Borrelia untersuchen aber nur wenige Isolate und unsere Ergebnisse zeigen, dass wir dadurch wichtige Informationen verpassen, die Unterschiede bei der Krankheit im Menschen erklären könnten. Wir fanden sogar zwei Isolate, bei denen eine ganze Gen-Familie fehlt, die als notwendig für humane Infektion betrachtet wurde. Diese zwei Isolate kamen aber von Patienten und konnten also desto-trotzt Menschen infizieren. Das bleibt ein Rätsel und wir erforschen diese Isolate weiter. Zum Schluss, zeigte diese Studie, dass die Anpassung der Borrelien an einen neuen Vektor mehrere verschiedene evolutionäre Verläufe folgen kann. Wir entdeckten auch eine außergewöhnliche genetische Diversität zwischen Isolaten desselben Ursprungs, was zu der Anpassungsfähigkeit der Borrelien beitragen könnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• High conservation combined with high plasticity: genomics and evolution of Borrelia bavariensis. BMC Genomics, 21(1).
  Becker, Noémie S.; Rollins, Robert E.; Nosenko, Kateryna; Paulus, Alexander; Martin, Samantha; Krebs, Stefan; Takano, Ai; Sato, Kozue; Kovalev, Sergey Y.; Kawabata, Hiroki; Fingerle, Volker & Margos, Gabriele
  
• Out of Asia? Vector switches leading to the expansion of Eurasian Lyme disease bacteria. Wiley.
  Rollins, Robert; Sato, Kozue; Nakao, Minoru; Tawfeeq, Mohammed; Herrera-Mesías, Fernanda; Pereira, Ricardo; Kovalev, Sergey; MARGOS, Gabriele; Fingerle, Volker; Kawabata, Hiroki & Becker, Noemie
  
• Spatial variability in prevalence and genospecies distributions of Borrelia burgdorferi sensu lato from ixodid ticks collected in southern Germany. Ticks and Tick-borne Diseases, 12(1), 101589.
  Rollins, Robert E.; Yeyin, Zehra; Wyczanska, Maja; Alig, Nikolas; Hepner, Sabrina; Fingerle, Volker; Margos, Gabriele & Becker, Noémie S.
  
• Ticks (Acari: Ixodidae) on birds migrating to the island of Ponza, Italy, and the tick-borne pathogens they carry. Ticks and Tick-borne Diseases, 12(1), 101590.
  Rollins, Robert E.; Schaper, Sabine; Kahlhofer, Claudia; Frangoulidis, Dimitrios; Strauß, Aurelia F.T.; Cardinale, Massimiliano; Springer, Andrea; Strube, Christina; Bakkes, Deon K.; Becker, Noémie S. & Chitimia-Dobler, Lidia
  
• Utilizing Two Borrelia bavariensis Isolates Naturally Lacking the PFam54 Gene Array To Elucidate the Roles of PFam54-Encoded Proteins. Applied and Environmental Microbiology, 88(5).
  Rollins, Robert E.; Wülbern, Janna; Röttgerding, Florian; Nowak, Tristan A.; Hepner, Sabrina; Fingerle, Volker; Margos, Gabriele; Lin, Yi-Pin; Kraiczy, Peter & Becker, Noémie S.