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Publicação
The genetic basis of lifespan in a host- pathogen model system
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Um conceito que conecta intrinsecamente o envelhecimento e as interações hospedeiropatogênico é a necessidade de adaptação do hospedeiro em resposta a influencias ambientais, como a
presença de patógenos. Por exemplo, à medida que os indivíduos vão envelhecendo, o seu sistema
imunitário sofre alterações que podem afetar a sua capacidade de defesa contra agentes patogénicos
invasores. Outros fatores fisiológicos que afetam o progresso do envelhecimento serão, por exemplo,
genéticos ou até mesmo estilos de vida e hábitos que os indivíduos tenham. Identificar a base genética
da adaptação é fundamental para compreender e prever a evolução. Anteriormente, adaptámos
populações de C. elegans para retardar a reprodução na presença de uma estirpe patogênica de E. coli
(IAI1), que demonstrou antecipar a postura de ovos no verme. Isto resultou num ambiente muito
adverso ao qual C. elegans teve que se adaptar através de mecanismos de desenvolvimento e/ou
resposta imunológica. Caenorhabditis elegans, muitas vezes referido como C. elegans, é um verme
microscópico que se tornou um organismo modelo bastante proeminente na pesquisa biológica. O seu
tamanho pequeno, corpo transparente e base genética bem definida tornaram-no ideal para realizar
vários estudos relacionados com a biologia do desenvolvimento, genética e neurobiologia. C. elegans
desempenhou um papel imperativo na descoberta de processos biológicos fundamentais, e a sua
simplicidade e facilidade de manipulação continuam a fazer dele um ótimo organismo para pesquisa,
contribuindo para a nossa compreensão de fenómenos biológicos complexos.
Este estudo teve como objetivo encontrar genes de C. elegans responsáveis pela variação do
tempo de vida na presença de uma estirpe patogênica de E. coli IAI1, e compará-los com um conjunto
complementar de genes encontrados na presença de uma estirpe não-patogênica de E. coli. Uma
comparação de ambos os conjuntos de genes permitir-nos-á inferir até que ponto a imunidade impacta
as “vias de envelhecimento” neste sistema, bem como oferecer uma visão geral inicial das atuais tradeoffs genéticas na evolução do envelhecimento na presença de patogênicos. Para isso, é fornecido um
painel de mapeamento previamente desenvolvido, do qual serão escolhidas 18 linhas e, após exposição
a ambas as bactérias, o tamanho do corpo e expectativa de vida serão medidos. As medidas do primeiro
fenótipo obtiveram-se através da medição do comprimento do corpo de indivíduos em imagens obtidos
com uma câmara instalada num estereoscópio, enquanto que as medidas do segundo fenótipo
obtiveram-se através de ensaios de sobrevivência. Após a obtenção destes dados, primeiro foi realizada
uma análise para analisar as variações da expectativa de vida e do tamanho do corpo entre os dois tipos
de estirpes bacterianas. A esta seguiu-se uma análise que avaliou o impacto que a estirpe bacteriana e o
tamanho do corpo têm sobre a expectativa de vida, assim como se existe alguma correlação e de que
tipo entre os dois fenótipos, na bactéria patogênica e na não-patogênica. Finalmente, realizou-se o mapeamento de associação utilizando o software PLINK, para descobrir os genes e as interações
genéticas de interesse para a possível associação entre as variações destes fenótipos e a presença de
uma bactéria patogênica. Este trabalho apresenta um novo protocolo que permite a transferência de
nematodes adultos de forma muito rápida e menos trabalhosa. Neste protocolo, temos uma
transferência dos indivíduos por meio de filtros que conseguem separar os adultos dos ovos e larvas,
assim como um enorme número de indivíduos a serem transferidos por cada vez que se aplica. Isto
permite reduzir o tempo gasto na transferência e, assim, aumentar o número de populações
experimentais.
Após a realização da componente experimental, pode-se concluir a eficiência notável oferecida
por este novo protocolo de transferência baseada na utilização de filtros, facilitando a seleção e
transferência rápida de indivíduos adultos. No entanto, é crucial reconhecer que esta abordagem
inovadora apresenta a sua quota-parte de desafios. Um desses desafios envolve o facto de que apesar
da grande eficácia para separar adultos de larvas e ovos, ainda é possível encontrar uma mínima
quantidade dessas larvas no filtrado final. No entanto, este método de transferência baseado em filtros
melhorou significativamente a eficiência e a precisão das transferências de vermes, o que nos permitiu
usar populações experimentais com maiores números, assim como mais condições experimentais por
cada ensaio de sobrevivência. Os nossos primeiros resultados demonstraram uma diferença
significativa na expectativa de vida entre OP50 e IAI1, sendo maior a expectativa de vida quando na
presença da não-patogênica como se esperava. Quanto ao tamanho do corpo os resultados foram mais
inesperados, apesar de não-significativos, pois notou-se que esse tamanho era maior na presença da
bactéria patogénica. Além disso, os nossos resultados também apresentaram: que tanto o tipo de estirpe
bacteriana de que os C. elegans se alimentam, como o tamanho destes nematodes, vão influenciar a
expectativa de vida, mas igualmente que existe uma correlação negativa entre os fenótipos da
expectativa de vida e tamanho corporal. As nossas descobertas ressaltam a complexidade das
interações hospedeiro-patógeno, como elas impactam as principais características da história de vida
em C. elegans, e como esses fenótipos se correlacionam. Também são já a primeira indicação de uma
possível relação com o desenvolvimento. Por fim, a nossa análise de associação revelou uma
diversidade de regiões genéticas associadas às variações da expectativa de vida e do tamanho corporal.
Na verdade, apenas se conseguiu obter resultados significativos após se proceder a análise utilizando
os fenótipos compostos da expectativa de vida e do tamanho do corpo, criados a partir da divisão dos
valores desses fenótipos nas diferentes bactérias (os da IAI1 a dividir pelos da OP50, para ambos os
fenótipos). Estabeleceu-se um intervalo para cada marcador significativo que o estudo de associação
encontrou e anotou-se todos os genes que estavam nas proximidades do marcador, depois procedendose á investigação dos mesmos quanto ás suas funções e fenótipos aos quais estão ligados. Estas regiões abrangiam uma ampla gama de genes, incluindo vários genes que apesar de não terem ligação direta
aos fenótipos da expectativa de vida e do tamanho corporal, estavam associados a outros genes e vias
genéticas que possuem essas ligações. Muitos destes genes associados estão envolvidos na modulação
da expectativa de vida e na tolerância ao stresse, além de contribuírem para a regulação do
desenvolvimento e do crescimento. Notavelmente, a sua presença tanto na expectativa de vida quanto
no tamanho corporal, sugere a possibilidade de um atraso no desenvolvimento ou crescimento como
uma hipótese para corroborar os resultados mencionados anteriormente relativos á correlação negativa
entre os dois fenótipos, e por sua vez esses atrasos podem estar associados à presença de um patógeno.
Em conclusão, o nosso estudo em C. elegans fornece uma nova compreensão precisa e crítica
sobre a arquitetura genética que rege ás variações na expectativa de vida e no tamanho do corpo quando
exposto a uma estirpe de bactéria patogênica. Não só confirmou que existe uma base genética associada
a estas variações e á presença de um patógeno, mas os genes encontrados indicam um cenário em que
essa associação provém de alterações em características fisiológicas, como o desenvolvimento e o
crescimento. Além disso, as regiões e vias genéticas identificadas oferecem caminhos promissores para
futuras pesquisas. Exemplos podem incluir o teste para tentar avaliar o verdadeiro impacto destas regiões
genómicas, ou genes de interesse, assim como avaliar a sua associação com a característica que está a
ser investigada.
A concept that intricately connects aging and host-pathogen interactions is the host's need for adaptation in response to dynamic environmental challenges, such as the presence of pathogens. Identifying the genetic basis of adaptation is critical to understanding and predicting evolution. We previously adapted C. elegans populations to delayed reproduction in the presence of a pathogenic E. coli strain (IAI1), shown to anticipate egg laying in the worm. This has resulted in a very adversarial environment to which C. elegans had to adapt via developmental and immunological response mechanisms. This study aimed to find C. elegans genes responsible for lifespan variation in the presence of the pathogenic E. coli IAI1 and compare them to a complementary set of genes found in the presence of a non-pathogenic E. coli strain. A previously developed mapping panel is provided, from which 18 inbred lines will be chosen and their body length and lifespan measured. First, an analysis for differences and correlations between these two phenotypes was performed, followed by association mapping to discover genes and gene interactions of interest. Initial analysis revealed a significant difference in lifespan between OP50 and IAI1 and a negative correlation between the lifespan and the body size phenotypes. Furthermore, our association analysis unveiled a diversity of genetic regions associated with lifespan and body size variations. These regions encompassed a broad array of genes involved in stress tolerance, development and growth regulation. In conclusion, our study in C. elegans provides critical insights into the genetic architecture governing lifespan and body size variations when exposed to a pathogenic bacteria strain. A comparison of both gene sets will allow us to infer the amount to which immunity impacts "aging pathways" in this system and offer an initial overview of current genetic trade-offs in the evolution of aging in the presence of pathogens.
A concept that intricately connects aging and host-pathogen interactions is the host's need for adaptation in response to dynamic environmental challenges, such as the presence of pathogens. Identifying the genetic basis of adaptation is critical to understanding and predicting evolution. We previously adapted C. elegans populations to delayed reproduction in the presence of a pathogenic E. coli strain (IAI1), shown to anticipate egg laying in the worm. This has resulted in a very adversarial environment to which C. elegans had to adapt via developmental and immunological response mechanisms. This study aimed to find C. elegans genes responsible for lifespan variation in the presence of the pathogenic E. coli IAI1 and compare them to a complementary set of genes found in the presence of a non-pathogenic E. coli strain. A previously developed mapping panel is provided, from which 18 inbred lines will be chosen and their body length and lifespan measured. First, an analysis for differences and correlations between these two phenotypes was performed, followed by association mapping to discover genes and gene interactions of interest. Initial analysis revealed a significant difference in lifespan between OP50 and IAI1 and a negative correlation between the lifespan and the body size phenotypes. Furthermore, our association analysis unveiled a diversity of genetic regions associated with lifespan and body size variations. These regions encompassed a broad array of genes involved in stress tolerance, development and growth regulation. In conclusion, our study in C. elegans provides critical insights into the genetic architecture governing lifespan and body size variations when exposed to a pathogenic bacteria strain. A comparison of both gene sets will allow us to infer the amount to which immunity impacts "aging pathways" in this system and offer an initial overview of current genetic trade-offs in the evolution of aging in the presence of pathogens.
Descrição
Tese de Mestrado, Biologia Molecular e Genética, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Envelhecimento Interação hospedeiro-patógeno Expectativa de vida Tamanho do corpo Análise de associação Teses de mestrado - 2024