May the worm story begin… Evaluation of Caenorhabditis elegans as model for investigations into bacterial cross talk during intestinal immune responses

Abstract

Microorganisms play an important role in various physiological reactions and perturbations may contribute to the etiology of diseases like Inflammatory Bowel Disease (IBD). Caenorhabditis elegans is a promising model for studying the distributions of certain bacteria in IBD. However, knowledge on the effects of bacteria on its immune system is still rudimentary e.g. it is currently investigated whether pathogens contribute to inflammation because they have a metabolic advantage during colonizing of the gut. In an effort to elucidate the contributions of bacteria during intestinal inflammation we assessed effects of different bacteria strains on overall lifespan, bacterial avoidance behavior, sod-3 gene expression, ROS production, and immune parameters. Salmonella are known bacterial pathogens of C. elegans but there is no evidence in the literature whether this effect is mediated through intestinal inflammation like in humans. We found that worms exposed to Salmonella species had shorter life span. We suggest that this is mediated through intestinal inflammation, which in turn leads to an upregulation of SOD-3 as confirmed by fluorescent microscopy. Furthermore, for the first time, colonization of C. elegans with E. coli JM83 was investigated: we observed that E. coli JM83 colonization promotes longevity, e.g. a longer lifespan, in C. elegans. Our results also propose that longevity might be mediated by protecting against inflammation, as analyzed by qPCR of prominent immune signaling pathways, and by downregulation of ROS production. However, this is in contrast to what is known from mouse models and therefore points to a private mechanism of C. elegans. Surprisingly we also found that immune parameters and ROS production was elevated after exposure to E. coli OP50, bacteria used as standard food source for C. elegans in the lab. A critical requirement for research into bacterial contributions is a well-defined and consistent system. There is currently no complete understanding of what effects E. coli OP50 (and other bacteria) have on C. elegans’ physiology and whether these effects vary depending on numbers and fitness of the respective bacteria. Our research has proven C. elegans as a promising model in the context of IBD because human enteric pathogens, e.g. Salmonella, lead to intestinal inflammation. However, it seems indispensable to first learn more about culture conditions and bacterial fitness inside and outside of C. elegans before investigating bacterial effects on host physiology.

Das Mikrobiom spielt in vielen Stoffwechselwegen eine zentrale Rolle. Ein Ungleichgewicht kann in genetisch prädisponierten Individuen zu Krankheiten wie zum Beispiel chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) führen. Caenorhabditis elegans ist ein vielerforschtes Tiermodel, welches auch zur Erforschung der Rolle von Darmbakterien in der Pathogenese von CED von großer Nützlichkeit sein könnte. Bislang ist die Bedeutung der Darmbakterien für das Immunsystem von C. elegans jedoch nicht vollständig geklärt. Es ist denkbar, dass Pathogene eine Entzündung begünstigen, in dem sie durch metabolische Vorteile den Darm effizienter besiedeln können. Um die Auswirkungen des Mikrobioms auf Darmentzündungen zu erforschen, wurden in der vorliegenden Arbeit der Effekt der Bakterien auf Lebensspanne, im food choice assay, sod-3 Genexpression, Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), und Immunparametern untersucht. Salmonellen sind auch für C. elegans Krankheitserreger, aber es ist bislang nichts über die zu Grunde liegende Pathogenese bekannt. Wir konnten zeigen, dass eine Salmonella-Exposition eine kürzere Lebensspanne bei C. elegans bedingt und, dass diese durch Entzündungsprozesse im Darm ausgelöst wird, was durch eine erhöhte SOD-3 Produktion gezeigt werden konnte. Darüber hinaus haben wir erstmalig eine Kolonisation von E. coli JM83 in C. elegans untersucht: es wurde beobachtet, dass E. coli JM83 zu einer verlängerten Lebensspanne führt, vermutlich durch Schutz vor Entzündung. Dies konnte an Hand einer qPCR Analyse von charakteristischen Immunparametern, die nach einer E. coli JM83 Exposition herunter reguliert waren, gezeigt werden. Diese Ergebnisse widersprechen Erkenntnissen aus dem Maus-Modell und weisen daher auf einen eigenen Signalweg in C. elegans hin. Interessanterweise fanden wir auch, dass sowohl diese Immunparameter, als auch die ROS-Produktion in C. elegans erhöht war, nachdem die Nematoden E. coli OP50 ausgesetzt waren. Bei E. coli OP50 handelt es sich um einen Bakterienstamm der standardmäßig als Nahrungsquelle für C. elegans im Labor eingesetzt wird. Eine entscheidende Voraussetzung für die Erforschung von Bakterieninteraktionen ist ein stabiles und eindeutiges System. Derzeit sind sowohl die Auswirkungen von E. coli OP50 (und andere Bakterien) auf die Physiologie von C. elegans, als auch die Frage, ob die bakteriellen Auswirkungen dosis- oder fitnessabhängig sind, nicht verstanden. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass C. elegans ein bedeutendes Model für die Erforschung von CED sein kann, weil beispielsweise der menschliche Pathogen Salmonella auch in C. elegans zu entzündlichen Prozessen im Darm führt. Dennoch scheint der primäre Schritt zu sein, die Kulturbedingungen und Fitness von Bakterien innerhalb und außerhalb von C. elegans zu verstehen, bevor eine Untersuchung der bakteriellen Bedeutung im Entzündungsgeschehen erforscht werden kann.