Comparative Transcriptomics and Genetic Analyses in Animal Parasitic Nematodes

Abstract

Animal parasitic nematodes cause a wide range of diseases in humans and animals. Most Strongyloides and Onchocerca species are highly host specific, being restricted to one or a few species, but a few of them have a broader host range (eg. S. stercoralis). If a parasitic nematode species can infect multiple hosts, the infection efficiency and dynamics, reproductive success and the gene expression patterns may vary depending on the host. Also within the species, different genotypes that are specialized for a particular host may exist. In this thesis I: 1) compared the infection dynamics and the transcriptomes of S. ratti in its natural host rat and in the sub-optimal host gerbil; 2) analyzed the transcriptomes of different developmental stages of S. papillosus; 3) investigated the population structure of S. stercoralis from humans and dogs in rural Cambodia and 4) compared the genetic variation in the whole mitochondrial genomes of the O. ochengi population in northern Cameroon. To 1) I show that the infection success of S. ratti in gerbils is lower than in rats, but those worms that are successful, survive and reproduce much longer compared with S. ratti in rats. They produce a very high percentage of male progeny. The gene expression patterns are very similar in both hosts. Hence, gerbils are good laboratory hosts for the long-term maintenance of S. ratti. To 2) I report a comparative analysis of the transcriptomes of six developmental stages of S. papillosus. Different members of Astacin and CAP gene families, which are strongly expanded in Strongyloides spp., are specifically up-regulated particularly in parasitic adults and infective larvae suggesting biologic importance of these gene families for the parasitic life cycle of this organism. To 3) Using the nuclear 18S rDNA locus and mitochondrial markers, I demonstrate the existence of multiple genotypes among S. stercoralis isolated from humans and dogs in rural Cambodia. Whilst some make up the vast majority of Strongyloides spp. in dogs and are specific for this host, others are predominant in humans but also occur in dogs. This illustrates the possibility of zoonotic transmission of this parasite. I never found hybrids between the different 18S genotypes. This indicates either that intermixing only occurs within the same 18S genotypes, and as a result S. stercoralis represents a species complex of closely related species, or that these worms reproduce only asexually, as it had been proposed for Strongyloides spp. by some authors (but disproven for S. ratti and S. papillosus). I provide preliminary evidence that at least the laboratory isolate of S. stercoralis is capable of sexual reproduction. To 4) I present the complete mitochondrial genome sequences of eleven different individuals of Onchocerca ochengi, a filarial nematode of cattle. I confirm the existence of two O. ochengi mitochondrial clades at the whole genome level and resolve the mitochondrial phylogeny of the two O. ochengi clades and the very closely related human pathogen O. volvulus.

Tier-parasitäre Nematoden verursachen eine große Bandbreite an Erkrankungen in Menschen und Tieren. Viele Strongyloides und Onchocerca Arten sind hoch Wirt-spezifisch und damit auf eine oder wenige Arten von Wirten beschränkt. Bei anderen Arten ist das Wirtsspektrum breiter (z.B. S. stercoralis). Wenn eine Art verschiedene Wirte infizieren kann, können Effizienz und Dynamik der Infektion, der Reproduktionserfolg und das Genexpressionsmuster vom Wirt abhängig sehr unterschiedlich sein. Innerhalb der Arten können verschiedene Genotypen existieren, welche auf betimmte Wirte spezialisiert sind. In dieser Doktorarbeit habe ich 1) die Effizienz und die Dynamik der Infektion sowie die Transkriptome von S. ratti in dessen natürlichem Wirt Ratte mit denen im suboptimalen Wirt Wüstenrennmaus verglichen; 2) die Transkriptome von verschiedenen Entwicklungsstadien von S. papillosus analysiert; 3) die Populationsstruktur von S. stercoralis aus Menschen und Hunden im ländlichen Kambodscha untersucht und 4) die genetischen Variationen im mitochondrialen Genom von O. ochengi im nördlichen Kamerun untersucht. Zu 1) zeige ich, dass der Infektionserfolg von S. ratti in Wüstenrennmäusen niedriger ist als in Ratten aber dass die Würmer, die in Wüstenrennmäusen Erfolg haben, viel länger überleben und reproduzieren als S. ratti in Ratten. Sie produzieren einen hohen Anteil an männlichen Nachkommen. Die Genexpressionsmuster sind in beiden Wirten sehr ähnlich. Somit sind Wüstenrennmäuse gute Wirte für eine langzeitige Erhaltung von S. ratti für Labore. Zu 2) lege ich eine vergleichende Analyse der Transkriptome von sechs Entwicklungsstadien von S. papillosus vor. Aus den bei Strongyloides spp. sehr verbreiteten Gen-Familie Astacin und CAP sind manche Gene spezifisch in parasitären adulten Würmern oder infektiösen Larven hochreguliert. Dies legt nahe, dass diese Genfamilien eine biologisch wichtige Rolle für den parasitären Lebenszyklus dieser Organismen spielen. Zu 3) zeige ich mit dem nukleären 18S rDNA Lokus und mitochondrialen Makern, dass in Menschen und in Hunden im ländlichen Kambodscha mehrere S. stercoralis Genotypen vorkommen. Während manche die große Mehrheit von Strongyloids spp. in Hunden ausmachen und für diesen Wirt spezifisch sind, kommen andere überwiegend in Menschen, aber auch in Hunden, vor. Dies legt die Möglichkeit von zoonotischer Übertragung dieses Parasiten nahe. In dieser Studie wurden keine Hybride zwischen den verschiedenen 18S Genotypen gefunden. Das bedeutet, dass Kreuzung entweder nur innerhalb eines 18S Genotypen stattfindet und S. stercoralis damit ein aus nah verwandten Arten bestehender Artenkomplex ist, oder dass sich diese Würmer nur asexuell vermehren. Letzteres wurde von älteren Autoren für Strongyloides spp. postuliert aber später für S. ratti und S. papillosus widerlegt. Ich liefere erste Evidenzen, dass zumindest ein Laborisolat S. stercoralis fähig zur sexuellen Reproduktion ist. Zu 4) vergleiche ich die kompletten mitochondrialen Genom Sequenzen von elf verschiedenen Individuen von Onchocerca ochengi, einer Filarie in Rindern. Ich bestätige, gestützt auf das vollständige Genom, die Existenz von zwei mitochondriellen Kladen innerhalb der Art und ich charakterisiere die phylogenetische Verwandtschaft zwischen den beiden O. ochengi Varianten und dem sehr nah verwandten human pathogenen O. volvulus.