Summary

फॉरवर्ड जेनेटिक्स पहचानें मैक्रोफेज का प्रयोग स्क्रीन<em> Toxoplasma gondii</em> जीन महत्वपूर्ण प्रतिरोध करने के लिए IFN-γ-निर्भर सेल स्वायत्त प्रतिरक्षण

Published: March 12, 2015
doi:

Summary

Forward genetics is a powerful approach to identify genes in intracellular pathogens important for resistance to cell autonomous immunity. The current approach uses innate immune cells, specifically macrophages, to identify novel Toxoplasma gondii genes important for immune evasion.

Abstract

Toxoplasma gondii, the causative agent of toxoplasmosis, is an obligate intracellular protozoan pathogen. The parasite invades and replicates within virtually any warm blooded vertebrate cell type. During parasite invasion of a host cell, the parasite creates a parasitophorous vacuole (PV) that originates from the host cell membrane independent of phagocytosis within which the parasite replicates. While IFN-dependent-innate and cell mediated immunity is important for eventual control of infection, innate immune cells, including neutrophils, monocytes and dendritic cells, can also serve as vehicles for systemic dissemination of the parasite early in infection. An approach is described that utilizes the host innate immune response, in this case macrophages, in a forward genetic screen to identify parasite mutants with a fitness defect in infected macrophages following activation but normal invasion and replication in naïve macrophages. Thus, the screen isolates parasite mutants that have a specific defect in their ability to resist the effects of macrophage activation. The paper describes two broad phenotypes of mutant parasites following activation of infected macrophages: parasite stasis versus parasite degradation, often in amorphous vacuoles. The parasite mutants are then analyzed to identify the responsible parasite genes specifically important for resistance to induced mediators of cell autonomous immunity. The paper presents a general approach for the forward genetics screen that, in theory, can be modified to target parasite genes important for resistance to specific antimicrobial mediators. It also describes an approach to evaluate the specific macrophage antimicrobial mediators to which the parasite mutant is susceptible. Activation of infected macrophages can also promote parasite differentiation from the tachyzoite to bradyzoite stage that maintains chronic infection. Therefore, methodology is presented to evaluate the importance of the identified parasite gene to establishment of chronic infection.

Introduction

Toxoplasma gondii (टी gondii) एक लाचार इंट्रासेल्युलर, protozoal रोगजनक है। यह टोक्सोप्लाज़मोसिज़ की प्रेरणा का एजेंट, प्रतिरक्षा में अक्षम व्यक्तियों में एक स्वास्थ्य के लिए खतरा है। यह भी क्रिप्टोस्पोरिडियम और Cyclospora सहित मनुष्यों को संक्रमित है कि अन्य apicomplexan रोगजनकों के लिए मॉडल प्रणाली है। टोक्सोप्लाज़मोसिज़ सबसे सामान्यतः परजीवी की bradyzoite या oocyst मंच के साथ दूषित भोजन या पानी की घूस के माध्यम से हासिल किया जाता है। घूस पर, इन चरणों मेजबान कोशिकाओं के भीतर replicates और प्रणालीबद्ध प्रसार कि परजीवी की tachyzoite चरण के लिए परिवर्तित। टी कोशिकाओं, IFN-γ और, एक हद तक कम करने, नाइट्रिक ऑक्साइड 1-4 करने के लिए, संक्रमण के नियंत्रण के लिए महत्वपूर्ण हैं, लेकिन tachyzoites के अनुपात के रूप में, रोग को नष्ट करने में सक्षम नहीं हैं ऊतक अल्सर के भीतर रक्षा कर रहे हैं कि bradyzoite चरण में कन्वर्ट एक लंबे समय रहते पुराने संक्रमण में जिसके परिणामस्वरूप। वास्तव में, कोई चिकित्सा विज्ञान पुरानी पुटी के खिलाफ प्रभावी रहे हैंरोग के Tage। गंभीर टोक्सोप्लाज़मोसिज़ प्राथमिक और तीव्र संक्रमण की तेजी से नकल tachyzoite चरण विशेषता वापस करने के लिए परिवर्तित परजीवी की bradyzoite मंच के साथ होने के कारण लगातार संक्रमण के पुनर्सक्रियन करने के लिए सबसे अधिक बार है।

सहज प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया के चेहरे में जल्दी अस्तित्व परजीवी पर्याप्त परजीवी संख्या तक पहुंचने के लिए, साथ ही पुराने संक्रमण की स्थापना के सक्षम करने के लिए, बाहर का साइटों तक पहुँचने के लिए अनुमति देने के लिए महत्वपूर्ण है। टी gondii संभावना दोहराने के लिए और संक्रमण में जल्दी प्रसार करने के लिए अपनी क्षमता में योगदान कि मेजबान रक्षा तंत्र प्रतिक्रिया करने के लिए रणनीतियों को विकसित किया गया है। सबसे पहले, टी gondii अन्य इंट्रासेल्युलर रोगज़नक़ों 5-9 की तुलना में मेजबान सेल के endocytic और exocytic प्रक्रियाओं से काफी हद तक अलग है कि परजीवी आक्रमण के दौरान एक अद्वितीय पी.वी. रूपों। इसके अलावा, सभी सफल इंट्रासेल्युलर रोगज़नक़ों टी की तरह gondii च एक अनुमोदक माहौल बनाने के लिए अपने मेजबान सेल को संशोधितया विकास। यह सेल सक्रियण 10-15 के विनियमन के लिए महत्वपूर्ण उन सहित मेजबान सेल प्रतिलेखन कारक बदलकर reprogramming के मेजबान सेल जीन की अभिव्यक्ति भी शामिल है। ROP16 16-19, GRA15 20, GRA16 21 और GRA24 22 सभी टी से संक्रमित मेजबान कोशिकाओं के cascades ट्रांसक्रिप्शनल प्रतिक्रिया को विनियमित करने और सेल संकेत में महत्वपूर्ण होना दिखाया गया है gondii। अलग phenotypes के साथ परजीवी उपभेदों के बीच आनुवंशिक पार का उपयोग करते हुए हाल के अध्ययनों से उन्मुक्ति संबंधित GTPases (IRGs) 16,19,23-26 की चोरी सहित परजीवी जीनोटाइप निर्भर लक्षण आबाद कि परजीवी जीनों की पहचान करने में अत्यधिक उत्पादक किया गया है। बहुत ज़हरीले प्रकार मैं जीनोटाइप murine IRGs से बचने के लिए तंत्र विकसित किया है, जबकि चूहों में, उन्मुक्ति संबंधित GTPases (IRGs) प्रकार द्वितीय के नियंत्रण और परजीवी के तृतीय जीनोटाइप के लिए महत्वपूर्ण हैं। हालांकि, यह परजीवी रोगाणुरोधी मीडिया से बचने के लिए तंत्र विकसित किया गया है कि यह भी स्पष्ट हैइन तंत्रों में से कुछ IRGs करने के लिए और कहा कि इसके अलावा में tors परजीवी जीनोटाइप 27,28 भर में संरक्षित किया जा सकता है। इसके अलावा, बहुत कम टी के खिलाफ सेल स्वायत्त उन्मुक्ति के महत्वपूर्ण मध्यस्थों के बारे में जाना जाता है मानव टोक्सोप्लाज़मोसिज़ दौरान gondii। Tachyzoite भी मेजबान प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया से चालू किया जा सकता है, जो रूपांतरण bradyzoite करने के दौरान सेल स्वायत्त उन्मुक्ति के मध्यस्थों के प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण परजीवी जीनों भी अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है। उदाहरण के लिए, उच्च स्तर पर नाइट्रिक ऑक्साइड संक्रमित मैक्रोफेज में परजीवी प्रतिकृति को दबा सकते हैं, लेकिन यह भी पुटी उत्पादन 30-32 में जिसके परिणामस्वरूप रूपांतरण bradyzoite को tachyzoite उत्तेजित कर सकते हैं।

ToxoDB टी के लिए एक कार्यात्मक जीनोमिक डेटाबेस है gondii कि समुदाय सहित एनोटेशन प्रकाशित और अप्रकाशित जीनोमिक पैमाने आंकड़ों के अनुक्रम परजीवी जीनोम के लिए जानकारी और पहुंच उपलब्ध कराने के मामले में क्षेत्र के लिए एक महत्वपूर्ण संसाधन के रूप में काम करता है, जीन ऍक्स्प ression और प्रोटिओमिक्स डेटा 33। कई protozoal रोगजनकों के लिए इसी प्रकार, जीनोम का बहुमत उनके संभावित कार्यों में अंतर्दृष्टि प्रदान करने के लिए जीन समरूपता के आधार पर उपलब्ध कोई जानकारी के साथ काल्पनिक जीनों के होते हैं। इस प्रकार, आगे आनुवंशिकी प्रतिरक्षा चोरी, पुटी रूपांतरण और परजीवी रोगजनन के लिए के रूप में अच्छी तरह से अलग विकास के चरणों के बीच रूपांतरण के लिए महत्वपूर्ण अन्य कार्यों के लिए महत्वपूर्ण उपन्यास परजीवी जीनों की पहचान करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। आगे आनुवंशिकी का एक अतिरिक्त ताकत यह प्रतिरक्षा चोरी और पुटी गठन सहित रोगजनन में विशिष्ट कार्यों के लिए महत्वपूर्ण हैं कि जीन के रूप में परजीवी से पूछताछ करने के लिए एक अपेक्षाकृत गैर पक्षपातपूर्ण दृष्टिकोण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। उत्परिवर्तनीय रूपरेखा के लिए अगली पीढ़ी के अनुक्रमण में हाल ही के सुधार यह रासायनिक और insertional दोनों उत्परिवर्तजनन 34-37 का उपयोग करते हुए आगे आनुवंशिकी के अध्ययन से जिम्मेदार परजीवी जीनों की पहचान करने के लिए पसंद की एक विधि बना दिया है।

ntent "> यह विशेष रूप से भी प्रतिरोधी पुटी चरण के खिलाफ सक्रिय हो सकता है कि उन। इस उद्देश्य की ओर, एक में इन विट्रो murine परजीवी के खिलाफ सेल स्वायत्त प्रतिरक्षा तंत्र की प्रभावशीलता बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि टी gondii में कमजोरियों की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है बृहतभक्षककोशिका संक्रमण और सक्रियण मॉडल विशेष रूप से भोले मैक्रोफेज में संक्रमित मैक्रोफेज की सक्रियता नहीं बल्कि निम्न टी gondii फिटनेस ख़राब है कि परजीवी में म्यूटेशन की पहचान करने के लिए विकसित किया गया था। इस बृहतभक्षककोशिका स्क्रीन करने के क्रम में टी gondii insertional म्यूटेंट के एक पुस्तकालय से पूछताछ करने के लिए इस्तेमाल किया गया था अंततः नाइट्रिक ऑक्साइड 27,28 के प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण टी gondii जीनों की पहचान। संक्रमित मैक्रोफेज, नाइट्रिक ऑक्साइड के लिए विशेष रूप से उल्लेखनीय संवेदनशीलता की सक्रियता को बिगड़ा प्रतिरोध के साथ टी gondii म्यूटेंट के एक पैनल के अलगाव, की पहचान करने के लिए स्क्रीन की उपयोगिता साबित प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण परजीवी जीनोंmurine IRGs 28 के लिए वर्णित प्रतिरोध तंत्र के अलावा अन्य सेल स्वायत्त उन्मुक्ति के मध्यस्थों के लिए। Insertional mutagenesis के सिद्धांत में यादृच्छिक प्रत्येक परजीवी क्लोन में परिवर्तन और, उत्परिवर्तन की साइट की आसान पहचान की सीमित संख्या को पैदा करने के मामले में रासायनिक उत्परिवर्तजनन से अधिक लाभ है। हालांकि, टी में प्लाज्मिड प्रविष्टि के जीनोमिक साइट की पहचान gondii insertional म्यूटेंट, व्यवहार में, कई मामलों में 37 में आश्चर्यजनक रूप से मुश्किल हो गया है। एक जीन में एक प्लाज्मिड की प्रविष्टि भी आम तौर पर एकल nucleotide परिवर्तन में यह परिणाम है कि रासायनिक mutagenesis के लिए इसके विपरीत में एक जीन का कार्य बाधित होने की संभावना है। यह कई एकल nucleotide बहुरूपताओं बनाता है के रूप में हालांकि, रासायनिक उत्परिवर्तजनन एन एथिल-एन-nitrosourea (ENU) या ethylmethane सल्फ़ोनेट (ईएमएस) के साथ या तो (insertional उत्परिवर्तजनन की तुलना में, परजीवी जीनोम के एक बड़े हिस्से का विश्लेषण करने के लिए एक वृद्धि की क्षमता प्रदान कर सकता है उत्परिवर्ती 34 प्रति 10 -100) का अनुमान38। इसके अलावा, पूरे जीनोम प्रोफाइलिंग में हाल के अग्रिमों यह संभव है एक उत्परिवर्तित परजीवी 34,38 की पहचान phenotype के लिए जिम्मेदार सबसे अधिक संभावना उम्मीदवार जीन की पहचान करने के लिए अगली पीढ़ी के अनुक्रमण का उपयोग करने के लिए बनाया गया है। भले ही mutagenesis के दृष्टिकोण से, बृहतभक्षककोशिका सक्रियण के लिए प्रतिरोध में परजीवी जीन की भूमिका की पुष्टि अंततः आणविक कोच के तत्वों को पूरा करने के लिए जीन विलोपन और पूरक की आवश्यकता है।

परजीवी और बृहतभक्षककोशिका दोनों के आनुवंशिक हेरफेर से एक जीन के समारोह काटना करने की क्षमता टी में आगे आनुवंशिकी के माध्यम से पहचान जीनों में से कई के रूप में महत्वपूर्ण है gondii है, साथ ही अन्य रोगज़नक़ों, अभी तक ज्ञात कार्यों के साथ अन्य प्रोटीन के लिए कोई अनुक्रम अनुरूपता लिए थोड़ा के साथ काल्पनिक जीन के रूप में की विशेषता है। वर्तमान कागज एक उत्परिवर्ती में बाधित जीन एक ज्ञात या करने के लिए प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण है कि क्या पहचान करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि एक सामान्य दृष्टिकोण की रूपरेखासेल स्वायत्त उन्मुक्ति के अज्ञात मध्यस्थ। मेजबान रोगाणुरोधी कारकों के प्रारंभिक विश्लेषण जंगली प्रकार और inducible नाइट्रिक ऑक्साइड सिन्थेज़ (iNOS), जीपी-91 phox (एनएडीपीएच ओक्सीडेस) में विशिष्ट जीन विलोपन के साथ उन लोगों की तुलना में जंगली प्रकार चूहों से मैक्रोफेज में उत्परिवर्ती परजीवी के अस्तित्व के मूल्यांकन के द्वारा प्रदर्शन किया है, और विशिष्ट उन्मुक्ति संबंधित GTPases (IRGs)। पहचान परजीवी जीनों नाइट्रिक ऑक्साइड, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन मध्यवर्ती या उन्मुक्ति संबंधित GTPases 28 क्रमशः या एक अज्ञात प्रतिरक्षा तंत्र शामिल है के लिए प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण हैं, तो यह तय करेंगे। वर्तमान प्रोटोकॉल में वर्णित IFN-γ और LPS दोनों से संक्रमित मैक्रोफेज, की सक्रियता मुख्य रूप से नाइट्रिक ऑक्साइड से 28 के प्रतिरोध के लिए महत्वपूर्ण परजीवी जीनों का अलगाव में यह परिणाम है। बृहतभक्षककोशिका सक्रियण के अभाव में नाइट्रिक ऑक्साइड को प्रेरित है कि औषधीय एजेंटों के उपयोग (नाइट्रिक ऑक्साइड दाताओं) की पहचान की जीन का बहुमत पुनः के लिए महत्वपूर्ण थे कि इस बात की पुष्टिनाइट्रिक ऑक्साइड के बजाय बृहतभक्षककोशिका सक्रियण 28 के साथ जुड़े अतिरिक्त मध्यस्थों के साथ संगीत कार्यक्रम में नाइट्रिक ऑक्साइड के लिए विरोध।

एक और दो ​​के लिए इन विट्रो में संक्रमित अस्थि मज्जा व्युत्पन्न मैक्रोफेज की सक्रियता के बाद एक फिटनेस दोष के साथ परजीवी म्यूटेंट को अलग-थलग करने के लिए डिज़ाइन आगे आनुवंशिकी स्क्रीन का वर्णन कदम। एक परजीवी प्रतिकृति कम कर देता है, लेकिन पूरी तरह से जंगली प्रकार टी की प्रतिकृति को बाधित नहीं करता बृहतभक्षककोशिका सक्रियण के लिए उपयोग करने के अनुभव से IFN- γ और LPS की एक खुराक निर्धारित करने के लिए एक खुराक अनुमापन विश्लेषण का वर्णन कदम परजीवी म्यूटेंट के पुस्तकालय के निर्माण के लिए प्रयोग किया जाता है कि gondii पैतृक तनाव। दो कदम 96 अच्छी तरह से प्लेट में मैक्रोफेज में उत्परिवर्ती क्लोन के आगे आनुवंशिक स्क्रीन का वर्णन है। तीन कदम प्रत्येक उत्परिवर्ती में दोष परजीवी अस्तित्व को प्रभावित करता है, चाहे प्रतिकृति का मूल्यांकन करने के लिए और 96 अच्छी तरह से प्लेटों की स्क्रीन में पहचान की प्रत्येक उत्परिवर्ती के phenotype पुष्टि करने के लिए एक दृष्टिकोण की रूपरेखा,बृहतभक्षककोशिका सक्रियण के जवाब में या पुटी उत्पादन। चरण चार परजीवी उत्परिवर्ती विशेष रूप से अतिसंवेदनशील है, जो करने के लिए प्रतिरक्षा मध्यस्थों की पहचान के लिए विशिष्ट रोगाणुरोधी रास्ते में विलोपन के साथ चूहों से अस्थि मज्जा व्युत्पन्न मैक्रोफेज के उपयोग का वर्णन है। चरण पांच संक्रमित चूहों के दिमाग में पुटी उत्पादन द्वारा मूल्यांकन के रूप में एक परजीवी उत्परिवर्ती भी इन विवो रोगजनन के लिए समझौता किया है, तो यह निर्धारित करने के लिए एक दृष्टिकोण की रूपरेखा।

Protocol

नोट: जानवरों के इस्तेमाल को शामिल कि सभी प्रोटोकॉल न्यूयॉर्क मेडिकल कॉलेज के पशु देखभाल और उपयोग समिति द्वारा निर्धारित दिशा निर्देशों और नियमों के अनुसार में प्रदर्शन किया गया। नोट: कमजोर पड़ने <su…

Representative Results

Toxoplasma gondii भोले मैक्रोफेज में स्वतंत्र रूप से replicates और 6-12 घंटा परजीवी के तनाव पर निर्भर करता है के बीच दोहरीकरण का समय दिया है। एक सक्रिय अस्थि मज्जा व्युत्पन्न मैक्रोफेज बनाम भोले में प्रतिनिधि प?…

Discussion

वर्णित प्रोटोकॉल murine अस्थि मज्जा व्युत्पन्न मैक्रोफेज और टी को अलग-थलग करने के लिए आगे आनुवंशिकी की सक्रियता का उपयोग करता है कि एक गैर पक्षपातपूर्ण दृष्टिकोण प्रदान करता है उनकी क्षमता में एक दोष …

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Special thanks to Dr. Peter Bradley for the antibody to detect the T. gondii mitochondria. The work was supported by National Institute of Health Grants AI072028 and AI107431 to D.G.M and a generous donation to New York Medical College for the study of tropical medicine.

Materials

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Walwyn, O., Skariah, S., Lynch, B., Kim, N., Ueda, Y., Vohora, N., Choe, J., Mordue, D. G. Forward Genetics Screens Using Macrophages to Identify Toxoplasma gondii Genes Important for Resistance to IFN-γ-Dependent Cell Autonomous Immunity. J. Vis. Exp. (97), e52556, doi:10.3791/52556 (2015).

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