Abstract

Innate immunity provides the first line of defense against invading, pathogenic microorganisms in all multicellular organisms. The fruit fly Drosophila melanogaster has turned out to be an excellent model organism to elucidate mechanisms of innate immune responses because of the highly conserved intracellular signaling cascades mediating these ancient immune functions in flies and mammals.

In the present study, RNA interference (RNAi) -based functional genomics were utilized to identify novel components of Drosophila’s immune reactions. Mediators of bacterial phagocytosis, nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling and the antiviral RNAi pathway were screened in hemocyte-like S2 cells. Follow-up studies were executed in mammalian cells as well as in Drosophila larvae and adult flies to gain broader significance for the results.

Seven novel components essential for efficient phagocytosis of bacteria were identified. Eater was defined as Drosophila’s most important phagocytic receptor showing novel epidermal growth factor (EGF)-repeat -based microbial recognition properties. Additionally, Abelson interacting protein (Abi), capping protein alpha (cpa), 14-3-3ζ, tousled-like kinase (tlk), CG2765 and CG15609 were determined as intracellular effectors of phagocytosis, the three former ones executing their evolutionarily conserved functions through remodeling of the actin cytoskeleton. Eater, together with Scavenger receptor class C, type I (Sr-CI), was demonstrated to be responsible for double-stranded RNA (dsRNA) uptake into S2 cells and, when ectopically expressed, into mammalian cells via clathrin-mediated endocytosis. Proteasome component Pros45 and RNA helicase Belle were established as mediators of the intracellular RNAi pathway, whereas essential roles in antimicrobial signaling via the immune deficiency (Imd) pathway were addressed for Inhibitor of apoptosis 2 (Iap2) and Tak1-associated binding protein (TAB). Iap2 and TAB were shown to affect nuclear translocation of NF-κB -like transcription factor Relish.

The present study identifies several novel mediators of the Drosophila immune response and provides insight into mechanisms of fly host defense. As insects serve as vectors of human diseases (e.g. malaria), knowledge about Drosophila immune mechanisms may help to better understand the transmission and pathogenesis of these diseases and develop treatments to fight these infections. Additionally, knowledge gained from model organisms serves as valuable background information, often conducting human research into new tracks.

Tiivistelmä

Synnynnäinen immuniteetti on elintärkeä puolustusjärjestelmä taudinaiheuttajia vastaan. Kodeissakin yleinen banaanikärpänen, Drosophila melanogaster, on osoittautunut erinomaiseksi synnynnäisen immuniteetin tutkimusmalliksi, erityisesti teknisesti yksinkertaisen ja eettisesti ongelmattoman geneettisen muunneltavuutensa ansiosta. On myös havaittu, että solunsisäiset, immunologisia signaaleja välittävät mekanismit ovat evoluutiossa hyvin säilyneitä. Hyvin usein samankaltaiset geenituotteet toimivat signaalinsiirtäjinä sekä kärpäsen että ihmisen soluissa.

Tämän työn tarkoituksena oli RNA-häirintää (RNAi) sekä muita nykyaikaisia solu- ja molekyylibiologisia tutkimusmenetelmiä hyödyntäen tunnistaa uusia kärpäsen synnynnäiselle immuunipuolustukselle välttämättömiä geenituotteita. Bakteerien fagosytoosille, viruspuolustukselle ja tumatekijä nuclear factor kappa B:n (NF-κB) välittämälle signaloinnille välttämättömiä signalointimolekyylejä pyrittiin identifioimaan laajan mittakaavan RNA-häirintään perustuvilla seuloilla kärpäsen soluissa. Saatujen tulosten merkitystä nisäkkäiden immuunipuolustukselle tutkittiin myös hiiren soluissa.

Seitsemän geenituotteen osoitettiin olevan bakteerien fagosytoosille tärkeitä kärpäsen soluissa. Aiemmin tuntematon geenituote, joka nimettiin Eateriksi, osoitettiin kärpäsen tärkeimmäksi bakteereja fagosytoivaksi reseptoriksi. Eaterin solun ulkoisen osan osoitettiin tunnistavan taudinaiheuttajia uudella epidermaalisen kasvutekijän (epidermal growth factor, EGF) kaltaisella toistosekvenssillä. Myös useiden solun tukirankaan, sytoskeletoniin, liittyvien proteiinien (Abi, cpa, 14-3-3ζ) sekä aiemmin vähemmän tunnettujen geenituotteiden (CG2765, CG15609, tlk) osoitettiin osallistuvan bakteerien fagosytoosiin. Näistä kolmen ensinmainitun immunologinen tehtävä havaittiin evoluutiossa säilyneeksi, kärpäsestä hiireen. Eaterin, yhdessä kärpäsen toisen scavenger reseptorin (Sr-CI) kanssa, havaittiin myös toimivan kaksijuosteisen RNA:n (dsRNA) reseptoreina kärpäsen soluissa, mahdollistaen helpon ja tehokkaan RNA-häirinnän. RNA-häirinnän, ja siten mahdollisesti myös viruspuolustuksen, välittäjiksi identifioitiin proteasomin alayksikkö Pros45 ja RNA-helikaasi Belle. Lisäksi Inhibitor of apoptosis 2 (Iap2) ja Tak1-associated binding protein (TAB) todettiin kärpäsen immune deficiency (Imd) signalointireitin komponenteiksi, jotka osallistuvat antimikrobisten peptidien tuotantoon välittämällä NF-κB:n kaltaisen kärpäsen transkriptiotekijän (Relish) siirtymisen tumaan aktivoimaan immuunipuolustusta välittävien geenien ilmentymistä.

Tämän tutkimuksen tulokset valottavat banaanikärpäsen immuunipuolustuksen mekanismeja. Koska hyönteiset toimivat monien ihmisten infektiotautien välittäjinä, kärpäsen immuniteetin tuntemus luo mahdollisuuksia kehittää hoitoja näitä tauteja vastaan. Lisäksi malliorganismeista saatu tieto luo uusia teorioita ja näkökulmia, johtaen usein myös lääketieteellistä tutkimusta uusille raiteille.