Een systeembiologische benadering voor een diepgaand inzicht in de moleculaire adaptatie van Leishmania donovani

Datum: 23 mei 2018

Locatie: Promotiezaal Grauwzusters (UAntwerpen, Stadscampus) - Lange Sint-Annastraat 7 - 2000 Antwerpen (route: UAntwerpen, Stadscampus)

Tijdstip: 16 - 18 uur

Promovendus: Bart Cuypers

Promotor: Jean-Claude Dujardin, Kris Laukens

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Bart Cuypers - Departement Biomedische Wetenschappen

Leishmania veroorzaakt leishmaniasis, een ziekte met een zeer grote klinische relevantie omdat wereldwijd 350 miljoen mensen in risicogebieden leven. Bovendien is het erg verontrustend dat geneesmiddelenresistentie voor deze ziekte toeneemt, terwijl er weinig of geen geneesmiddelen in ontwikkeling zijn. De parasiet heeft een buitengewone vaardigheid om zich aan te passen aan geneesmiddelendruk zowel in vivo als in vitro. Untargeted ‘omics technieken, zoals genomics, transcriptomics, proteomics en metabolomics hebben nieuwe deuren geopend om de moleculen en pathways te identificeren die verantwoordelijk zijn voor de adaptatie van dit organisme. Een systeemwijde benadering ontbreekt echter en de meeste bevindingen werden vooral gelinkt aan één enkele ‘omic laag. Een integratieve studie zou systeemwijde inzichten kunnen leveren over hoe de parasiet in staat is zich aan te passen aan nieuwe omgevingen. Ondanks dit grote potentieel, zijn er voorlopig nog maar weinig integratiepogingen gedaan in het Leishmania onderzoeksveld.

Het doel van deze thesis was om te bestuderen hoe genomische variatie in Leishmania de variatie op downstream ‘omic niveaus beïnvloedt. Daarom hebben we in deze studie een systeembiologische benadering gebruikt, waarbij de moleculaire profielen, verkregen met genomics, transcriptomics, proteomics en metabolomic, werden geïntegreerd.

Onze eerste hypothese stelt dat zowel genomische sequentie- als structuurvariatie uiteindelijk de variatie stuurt op metaboloomniveau. Het combineren van de genoom- en metaboloomprofielen zou daarom tot nieuwe inzichten kunnen leiden in moleculaire adaptatie, door drivers (genoom) en effecten (metaboloom) met elkaar te linken. Om deze hypothese te valideren en als een proof-of-concept voor deze benadering, hebben we de genomische en metabolische profielen van twee genomisch verschillende L. donovani populaties geïntegreerd: ISC1 en de Core Group (CG). ISC1 is een genotype dat momenteel vooral in de Nepalese hooglanden steeds meer opduikt, terwijl CG de laatste uitbraak van viscerale leishmaniasis heeft veroorzaakt in het Indische Subcontinent (ISC). De resultaten die we verkregen met genomics en metabolomics toonden een goede overeenkomst, en wezen allebei in de richting van dezelfde pathways en functies. De resultaten van beide methoden toonden inderdaad verschillen aan tussen de twee populaties, die gerelateerd waren aan membraanlipiden, de nucleotide salvage pathway en de ureum cyclus. Ten laatste hebben we een directe link geïdentificeerd tussen het genoom en het metaboloom in de context van het argininosuccinaat gen (ASS, ureum cyclus). ISC1 had een lager aantal kopieën van dit gen, wat we konden relateren aan een reductie in de activiteit van ASS en wat duidelijk het belang aantoont van gene dosage in moleculaire adaptatie. Samengevat voorspellen onze gegevens grote verschillen tussen ISC1 en CG parasieten, inclusief in virulentie. Daarom moet er speciale aandacht geschonken worden aan hoe de situatie met ISC1 evolueert.

Onze tweede hypothese stelde dat gene dosage een zeer grote adaptieve en functionele impact heeft door direct de finale transcript en proteïneniveaus te beïnvloeden. Om deze vraag te beantwoorden, hebben we de genomen, transcriptomen, proteomen en metabolomen van drie sets van stammen bestudeerd met genomische structuurvariatie die varieerde van één enkele lokale CNV naar aneuploïdie van meerdere chromosomen. Binnen hetzelfde levensstadium vonden we hierbij zeer sterke correlaties terug tussen gene dosage, transcript- en proteineniveaus, wanneer naar volledige chromosomen gekeken werd. Onze bevindingen suggereren ook dat een groot aantal transcripten en proteïnen op een ‘gebufferde’ manier reageren op gene dosage, en minder veranderen dan men eigenlijk zou verwachten door voorspelling op basis van gene dosage alleen. Dit zou een eerste aanwijzing kunnen zijn van een globaal dosage compensation mechanisme in Leishmania.

Samengevat is deze integratieve studie de allereerste van zijn soort in het Leishmania veld, en zou ze de weg vrij kunnen maken voor toekomstige studies door een algemeen en essentieel inzicht te geven in hoe genomische variatie downstream ‘omic layers stuurt. Het is mogelijk dat sommige van deze resultaten zelfs relevant zijn voor Eukaryoten in het algemeen omdat de afwezigheid van bepaalde regulatorische systemen in Leishmania een unieke kijk zou kunnen geven op de overige regulatiemechanismen.



Link: https://www.uantwerpen.be/nl/faculteiten/faculteit-fbd/onderzoek/doctoraatsverdedigen/