Bacterial modulation by the intestinal roundworm Ascaris suum

Abstract

Background: Ascariasis is one of the most common soil-transmitted helminth infections worldwide and a considerable problem in animal agriculture. The infection is spread via the fecal- oral route and occurs following ingestions of eggs containing infective third-stage larvae. These eggs hatch, releasing larvae which then invade the host intestine and embark on a tissue migration phase which takes them through the host’s liver and lungs before returning to the small intestine. This tissue migration leads to the immune responses, pathologies, and symptoms characteristic of ascariasis. In the jejunum, the worms mature and live amongst host microbes. Current efforts to control helminth infections have been somewhat successful but have not been able to eradicate these pathogens. Thus, novel insights into their lifestyle within the host are needed to unveil new therapeutic modalities. Much remains unknown concerning their interactions with microbes in the host intestine. Therefore, this thesis aimed to unravel interactions between Ascaris and microbes by characterizing antimicrobial activities of the worms as well as the first description of the Ascaris microbiome and its key determinants by completing the following aims:

1. To determine if Ascaris nematodes release antimicrobial compounds in their excreted and secreted products. 2. To characterize the antimicrobial activities of these products. 3. To characterize the Ascaris microbiome. 4. To identify the primary determinants of Ascaris microbiome composition.

Results: The excreted and secreted products of A. suum were found to contain a variety of proteins and peptides with known and predicted antimicrobial activity, including antimicrobial peptides from different families and C-type lectins. These products exhibited diverse antimicrobial activities, including bacterial growth inhibition, disruption of bacterial Biofilm formation, and agglutination. We further characterized one of the proteins secreted by Ascaris, a C-type lectin domain-containing protein we have named AsCTL-42. This lectin recapitulated the agglutination observed for Ascaris ES products and inhibited invasion of porcine intestinal epithelial cells by Salmonella Typhimurium. Finally, we characterized the microbiome of Ascaris nematodes isolated from infected pigs and determined that the nematode’s own intestinal microbiome is derived, but distinct from, the microbes present in the host jejunum. Composition of the Ascaris microbiome is driven primarily by the dominant bacteria present at the site of infection; however, certain genera are enriched in the Ascaris intestine relative to the host.

Conclusions: Our results demonstrate that Ascaris acquires microbes from those present at the site of infection in the host jejunum and that these microbes are present in differential abundances in the worm relative to its host, suggesting that the worm might preferentially take up some bacteria while excluding others. Our data characterize potential mechanisms by which the worm might modulate its microbiome as well as that of its host by demonstrating antimicrobial activities of its excreted and secreted products which contain various antimicrobial effector molecules. Our data provide a foundation for further work which can assess the impacts of interactions between Ascaris, microbes, and host cells on co-infecting pathogens while determining which microbes are beneficial or harmful for the worm.

Hintergrund: Eine Infektion mit dem Spulwurm Ascaris ist eine der häufigstenbodenübertragenen Helmintheninfektionen weltweit und ein erhebliches Problem in der Tierhaltung. Die Infektion wird über den fäkal-oralen Weg verbreitet und erfolgt durch die Aufnahme von Eiern, die infektiöse Larven des dritten Stadiums enthalten. Die aus den Eiern schlüpfenden Larven dringen in den Darm des Wirtes ein und wandern durch die Leber und die Lunge, bevor sie in den Dünndarm zurückkehren. Diese Gewebewanderung führt zu der für Ascaris charakteristischen Immunreaktionen, Pathologien und Krankheitssymptomen. Im Jejunum reifen die Würmer heran und leben inmitten der Mikroben des Wirts. Die derzeitigen Methoden zur Bekämpfung von Helmintheninfektionen konnten diese Krankheitserreger bislang nicht ausrotten. Daher werden neue Erkenntnisse über ihre Lebensweise im Wirt benötigt, um neue therapeutische Möglichkeiten zu finden. Über die Interaktionen dieser Erreger mit denen sie umgebenen bakteirellen Mikroben im Darm des Wirtes ist noch wenig bekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Wechselwirkungen zwischen Ascaris und den bakteriellen Darmmikroben zu bearbeiten, durch die Charakterisierung der antimikrobiellen Aktivitäten der Würmer und dem Entschlüsseln des Ascaris-Mikrobiom und seiner Schlüsseldeterminanten. die Arbeit hatte folgende Ziele:

1. Feststellung, ob Ascaris-Nematoden antimikrobielle Moleküle ausscheiden. 2. Charakterisierung der antimikrobiellen Aktivitäten dieser Produkte. 3. Charakterisierung des Ascaris-Mikrobioms. 4. Identifizierung der essentiellen Komponenten des Ascaris-Mikrobioms.

Ergebnisse: Es wurde festgestellt, dass die ausgeschiedenen und sekretierten Produkte von A. suum eine Vielzahl von Proteinen und Peptiden mit bekannter antimikrobieller Aktivität enthalten, einschließlich antimikrobieller Peptide aus verschiedenen Familien und C-Typ-Lektine. Diese Produkte wiesen verschiedene antimikrobielle Aktivitäten auf, darunter die Hemmung des Bakterienwachstums, die Unterbrechung der bakteriellen Biofilmbildung und die Agglutination. Wir haben eines der von Ascaris sezernierten Proteine weiter charakterisiert, ein C-Typ-Lektin- Domäne enthaltenes Protein, AsCTL-42 genannt. Dieses Lektin spiegelte die für Ascaris-ES-Produkte beobachtete Agglutination wider und hemmte das Eindringen von Salmonella Typhimurium in Darmepithelzellen von Schweinen. Zudem charakterisierten wir das Mikrobiom von Ascariden, die aus infizierten Schweinen isoliert wurden, und stellten fest, dass das eigene Darmmikrobiom der Nematoden von den im Jejunum des Wirts vorhandenen Mikroben abgeleitet ist, sich aber davon unterscheidet. Die Zusammensetzung des Ascaris-Mikrobioms wird in erster Linie von den dominanten Bakterien am Infektionsort bestimmt; bestimmte Gattungen sind jedoch im Ascaris-Darm im Vergleich zum Wirt angereichert.

Schlussfolgerungen: Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Ascaris Mikroben sich ableitet von den Bakterien am Ort der Infektion im Jejunum des Wirts, und dass dieses Mikroben im Wurm im Vergleich zu seinem Wirt sich doch unterscheidet, was darauf hindeutet, dass der Wurm einige Bakterien bevorzugt aufnimmt und andere ausschließt. Unsere Daten charakterisieren potenzielle Mechanismen, durch die der Wurm sein Mikrobiom und das seines Wirts modulieren könnte, indem der Parasit antimikrobielle Moleküle entlässt, die verschiedene antimikrobielle Effektormoleküle enthalten. Unsere Daten bilden die Grundlage für weitere Arbeiten, mit denen die Auswirkungen dieser weit verbreiteten Parasiten und deren Interaktionen mit bakteriellen Mikroben des Wirts, Wirtszellen und deren Auswirkungen auf koinfizierende Krankheitserreger bestimmt werden können, während gleichzeitig bestimmt wird, welche Mikroben für den Wurm nützlich oder schädlich sind.