Insights into the mechanism of action and functional interactions of insect antimicrobial peptides

Beschreibung

In der modernen Pflanzenproduktion ist die schnelle Anpassung von Pilzerregern an chemische Fungizide ein großes Problem. Die Entwicklung und Zulassung neuer chemischer Fungizide mit breitem Wirkspektrum ist zeit- und ressourcenaufwendig. Darüber hinaus gibt es eine steigende Sorge über die Anwendung von Agrochemikalien, da sich diese negativ auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken können. Insekten bieten eine reiche Quelle an antimikrobiellen Peptide (AMPs). Insekten AMPs sind, wie auch die von anderen Organismen, die Schlüsselelemente des angeborenen Immunsystems. Sie besitzen die Fähigkeiten, virale, bakterielle, und pilzliche Pathogene direkt zu töten. Die Entschlüsselung der Wirkmechanismen von AMPs ist ein translationaler Forschungsansatz für die Entwicklung neuer biologischer Werkzeuge als Alternativen zu chemischen Fungiziden. Das antimikrobielle Peptid Metchnikowin (Mtk) ist ein in der Taufliege Drosophila melanogaster entdecktes prolinreiches Peptid, das eine starke antifungale Aktivität zeigt. Mtk hemmt potent verschiedene pathogene Fadenpilze, einschließlich des Pflanzenpathogens Fusarium graminearum, ist aber nicht aktiv gegen den Mykorrhiza-Basidiomycota Piriformospora indica. F. graminearum verursacht Wurzelfäule und Ährenfusariose in Getreide, welche zu erheblichen Ertrags- und Qualitätsverlusten führen kann. Um die selektive Wirkung von Mth auf pflanzenpathogene Pilze zu verstehen, fokussiert ein Forschungsansatz im Rahmen dieser Dissertation auf die Identifizierung der Bindungspartner in den Pilzzellen. Für diesen Zweck wurde das Hefe-Zwei-Hybrid-System auswählt, die gleichzeitig als Screeningmethode in der Fraunhofer Projektgruppe Bioressourcen etabliert werden sollte.Mit dieser Technik konnten neun Proteine einschließlich β(1,3)-glucanosyltransferase Gel1 (FgBGT1) und die Eisen-Schwefel-Untereinheit (SdhB) der Succinat-Coenzym-Q-Reduktase (FgSQR) als Kandidaten identifiziert werden. Zur Bestätigung der Interaktion, verwendeten wir unabhängige Verifikationstests in Säugetier- und Pflanzenzellen sowie einen funktionellen Assay. BGT ist eines der Enzyme, die für die Synthese der Zellwand in Pilzen verantwortlichen ist, weshalb der antifungale Effekt von Mtk zumindest teilweise durch die Beeinträchtigung der Zellwandintegrität vermittelt wird (Publikation I). Mit Hilfe von in-vitro Enzymaktivitätstest konnten wir zeigen, dass Mtk signifikant die FgSQR-Aktivität in den Mitochondrien von F. graminearum reduziert. Durch den Angriff von SdhB kann Mtk den intermediären Stoffwechsel und die aerobe Energieproduktion in F. graminearum beeinträchtigen, wodurch hohe Fitnesskosten für den Pilz entstehen. Eine mögliche Erklärung für die selektive Wirkung von Mtk gegen diese Spezies bildet die Phylogenie beider Zielproteine in Asco- und Basidiomycota. Der zweite wissenschaftliche Fokus in der vorliegenden Dissertation widmete sich Untersuchungen, die erklären, wie von Insekten stammende AMPs, die verschiedenen Familie zugeordnet werden, eine synergistische Wirkung entfalten können. Für die funktionelle Analyse dieses Phänomens wurden verschiedene AMPs aus der Großen Wachsmotte Galleria mellonella ausgewählt. Diese werden bei Immunreaktionen überwiegend im Fettkörper (funktionelles Analog zur Wirbeltierleber) synthetisiert, in die Hämolymphe abgegeben und entfalten dort gemeinsam eine Wirkung gegen Krankheitserreger und Parasiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Cecropin-ähnliche Peptid (Cecropin A) und das als antifungales Peptide Gallerimycin einzeln und in Kombination gegen das gramnegative Bakterium Escherichia coli und das grampositive Bakterium Micrococcus luteus getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass diese AMPs in einer potenzierenden Weise zusammenarbeiten, um die Wirksamkeit des Immunsystems in G. mellonella zu maximieren (Publikation II). Über die synergistische Hemmung von Pathogenen hinaus, haben AMPs auch ein immunmodulierende Wirkung. (Publikation III). Diese Rolle ist insbesondere für das Immunsystem von Pflanzen interessant, da die transgene Expression von AMPs aus Insekten weitere Abwehrreaktionen wie die Produktion von reaktiven Sauerstoffradikalen und mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPKs) einschließt. Für den Pflanzenschutz ist es nicht nur wichtig, diese komplexen Mechanismen zu verstehen, sondern auch virtuos zu steuern. Die aus der Dissertation resultierenden wissenschaftlichen Publikationen beleuchten drei Aspekte, die aktuell in der translationalen Forschung an AMPs aus Insekten eine große Rolle spielen. Zum einen wurden die für die Anwendung von Mtk im modernen Pflanzenschutz interessante Spezifität gegen Pilzpathogene untersucht, zum anderen wurde gezeigt, dass zu verschiedenen AMP-Familien gehörende und gleichzeitig induzierte AMPs eine synergistische Wirkung entfalten können. Dies ist für die Praxis relevant, da wesentlich geringe Mengen an AMPs eingesetzt werden müssen, wenn zwei eingesetzt werden, die sich im Hinblick auf ihre Aktivität gegen bestimmte Pathogene synergistisch ergänzen. Weiterhin können AMPs als Transgene neben ihrer direkten Wirkung auf Pathogene diese zusätzlich indirekt schädigen, in dem sie endogene Abwehrmechanismen in Pflanzen aktivieren. Neben Anwendungen im Pflanzenschutz werden Insekten-AMPs gegenwärtig auch für die mögliche Nutzung bei der Lebensmittelkonservierung erforscht.

Autor*in

Mohammad Reza Bolouri Moghaddam

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Antimikrobiell Insekten Peptide

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