Caenorhabditis elegans as a model to screen plant extracts and compounds as natural anthelmintics for veterinary use

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Anthelmintic effect of plant extracts containing condensed and hydrolyzable tannins on Caenorhabditis elegans, and their antioxidant capacity

Although tannin-rich forages are known to increase protein uptake and to reduce gastrointestinal nematode infections in grazing ruminants, most published research involves forages with condensed tannins (CT), while published literature lacks information on the anthelmintic capacity, nutritional benefits, and antioxidant capacity of alternative forages containing hydrolyzable tannins (HT). We evaluated the anthelmintic activity and the antioxidant capacity of plant extracts containing either mostly CT, mostly HT, or both CT and HT. Extracts were prepared with 70% acetone, lyophilized, redissolved to doses ranging from 1.0mg/mL to 25mg/mL, and tested against adult Caenorhabditis elegans as a test model. The extract concentrations that killed 50% (LC50) or 90% (LC90) of the nematodes in 24h were determined and compared to the veterinary anthelmintic levamisole (8mg/mL). Extracts were quantified for CT by the acid butanol assay, for HT (based on gallic acid and ellagic acid) by high-performance liquid chromatography (HPLC) and total phenolics, and for their antioxidant activity by the oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assay. Extracts with mostly CT were Lespedeza cuneata, Salix X sepulcralis, and Robinia pseudoacacia. Extracts rich in HT were Acer rubrum, Rosa multiflora, and Quercus alba, while Rhus typhina had both HT and CT. The extracts with the lowest LC50 and LC90 concentrations, respectively, in the C. elegans assay were Q. alba (0.75 and 1.06mg/mL), R. typhina collected in 2007 (0.65 and 2.74mg/mL), A. rubrum (1.03 and 5.54mg/mL), and R. multiflora (2.14 and 8.70mg/mL). At the doses of 20 and 25mg/mL, HT-rich, or both CT- and HT-rich, extracts were significantly more lethal to adult C. elegans than extracts containing only CT. All extracts were high in antioxidant capacity, with ORAC values ranging from 1800μmoles to 4651μmoles of trolox equivalents/g, but ORAC did not correlate with anthelmintic activity. The total phenolics test had a positive and highly significant (r=0.826, p≤0.01) correlation with total hydrolyzable tannins. Plants used in this research are naturalized to the Appalachian edaphoclimatic conditions, but occur in temperate climate areas worldwide. They represent a rich, renewable, and unexplored source of tannins and antioxidants for grazing ruminants, whereas conventional CT-rich forages, such as L. cuneata, may be hard to establish and adapt to areas with temperate climate. Due to their high in vitro anthelmintic activity, antioxidant capacity, and their adaptability to non-arable lands, Q. alba, R. typhina, A. rubrum, and R. multiflora have a high potential to improve the health of grazing animals and must have their anthelmintic effects confirmed in vivo in both sheep and goats. © 2012.

Metodologia para quantificar ricina em sementes de mamona com o uso de Caenorhabditis elegans

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Expressions- und Funktionsanalysen von "Tetraspan Vesicle Membrane Proteins" in Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind ubiquitäre Komponenten von Transportvesikeln. Bei den Säugetieren unterscheidet man drei Familien, die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins). Ihre Funktion ist weitgehend unbekannt, es wird jedoch vermutet, dass sie eine Rolle bei der Vesikelbildung und der Vesikelrezirkulierung spielen. In Caenorhabditis elegans existiert von jeder Familie jeweils nur ein einziges Polypeptid: für die Physine Synaptophysin (SPH-1), für die Gyrine Synaptogyrin (SNG-1) und für die SCAMPs SCAMP (SCM-1). Ziel der Arbeit war es die Verteilung der C. elegans TVPs zu untersuchen und ihre Funktion unter besonderer Berücksichtigung der vesikelvermittelten synaptischen Kopplung zu bestimmen. Wenn die C. elegans TVPs in humanen Epithelzellen synthetisiert werden, lokalisieren sie in zytoplasmatischen Vesikeln. In Kotransfektionsexperimenten wurde gezeigt, dass sie größtenteils in den gleichen Strukturen enthalten sind. In C. elegans synthetisierte TVP-Reporterkonstrukte können in unterschiedlichen Geweben nachgewiesen werden. Dabei ist SNG-1 fast ausschließlich in Neuronen zu finden. SPH-1 und SCM-1 hingegen weisen komplexe und teilweise überlappende Verteilungsmuster auf. Während für SPH-1 eine starke Fluoreszenz im Pharynx, auf der apikalen Seite der Darmzellen oberhalb des sog. terminal webs und in adluminalen Regionen von exkretorischen Geweben gefunden wurde, war SCM-1 stark in der Muskulatur und den Coelomozyten vertreten. Die Expression von SCM-1 in Pharynx und Darm war deutlich schwächer. Die C. elegans TVPs werden früh in der Entwicklung ab der Gastrulation (SPH-1 und SCM-1) bzw. ab der Neurulation im sog. Komma-Stadium (SNG-1) produziert. Um die Funktion der TVPs in C. elegans zu untersuchen, wurden TVP-Mutanten analysiert. Durch Kombination aller drei TVP-Gen-Mutanten wurden TVP-Dreifachmutanten generiert. Diese wiesen keinen offensichtlichen Defekt im Bewegungsmuster auf, entwickelten sich normal und bildeten ein normales Nervensystem aus. Auch auf unterschiedliche chemische und physikalische Reize in sensorischen Tests reagierten die TVP-Dreifachmutanten in gleicher Weise wie Wildtyptiere. Ebenso zeigen die TVP-Dreifachmutanten elektrophysiologisch unter normalen Bedingungen keine anormalen Reaktionsmuster. In ultrastrukturellen Untersuchungen wurde lediglich eine signifikant erhöhte Anzahl Clathrin-ummantelter Vesikel in cholinergen Synapsen gefunden. Erst unter Stressbedingungen, hervorgerufen durch den GABA-Antagonisten Pentylentetrazol (PTZ), wiesen sowohl die TVP-Dreifach- als auch die TVP-Einzelmutanten eine deutlich erhöhte Krampfbereitschaft auf. Zusammengenommen zeigen die Analysen, dass TVPs zwar für grundlegende neuronale Prozesse nicht notwendig sind, dass sie aber auf der anderen Seite vermutlich an alternativen redundanten Wegen der Neurotransmitterfreisetzung beteiligt sind.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

Identifizierung und Charakterisierung von Intermediärfilament-Organisatoren in Caenorhabditis elegans

Intermediärfilamente (IFs) sind neben Mikrotubuli und Aktinfilamenten die dritte filamentäre Komponente des Zytoskeletts. Sie wirken als mechanische Stabilisatoren, sind außerdem an Zelldifferenzierung, Proliferation und Apoptose beteiligt und tragen zu Zellpolarität bei. IFs sind dynamische Strukturen, die zelltypspezifisch in unterschiedlichen Anordnungen und Abundanzen vorkommen und von Signalkaskaden beeinflusst werden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dieser fein abgestimmten Prozesse sind weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit sollte deswegen ein Tiermodell entwickelt werden, um Regulatoren der IF-(Netzwerk)-Organisation in vivo zu untersuchen und zu identifizieren. Dazu wurde C. elegans ausgewählt, da es sich hierbei um einen genetisch gut charakterisierten und leicht manipulierbaren Organismus handelt, in dessen Genom elf Gene für zytoplasmatische IFs kodieren. Zunächst wurden stabil transgene C. elegans-Linien generiert, die fluoreszierende IFs exprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass das darmspezifische IFB-2::CFP im Bereich des apikalen Junktionskomplex verankert ist und nahezu vollständig im subapikalen Terminalgeflecht der Enterozyten lokalisiert, das als Teil der endotube besonders stabil und widerstandsfähig ist. Wenn diese Tiere mit dsRNA gegen das ebenfalls im Terminalgeflecht exprimierte IF ifc-2 behandelt wurden, entwickelten sich blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens, die auf eine Schwächung der rigiden und formgebenden endotube hinwiesen und damit einen direkten in vivo-Beweis für die stressprotektive Funktion des intestinalen IF-Netzwerks lieferten. Die leichte Detektierbarkeit des IFB-2::CFP-Musters wurde in einem optischen Screen ausgenutzt, bei dem nach chemischer Mutagenese nach Veränderungen im IF-Muster gefahndet wurde. Hierbei wurden drei Mutanten isoliert. In Komplementationsanalysen stellte sich heraus, dass es sich in zwei Fällen um Allele desselben Gens handelt. Die Identifizierung der betroffenen Gene gelang durch eine PCR-basierte Kartierung von single nucleotide polymorphisms nach Verpaarung mit dem Hawaii-Stamm (snp-mapping) und anschließender RNAi-Analyse der Einzelgene in den identifizierten Chromosomenabschnitten. Im einen Fall handelte es sich um das sma-5-Gen, einer Serin/Threonin-Kinase mit Homologie zu den MAP-Kinasen MAPK7/ERK5 der Säuger. Hier wurden, ebenso wie beim ifc-2 (RNAi)-Phänotyp, progressive blasenförmige Ausstülpungen des Darmlumens beobachtet. Die beiden anderen Allele tragen Mutationen in einem bisher nicht näher charakterisierten Gen. In diesen Würmern kommt es zu einem vollständigen Auflösung des IFB-2::CFP-Netzwerks mit prominenten Akkumulationen um die apikalen Junktionen. Das Darmlumen ist stellenweise geweitet und das elektronendichte Terminalgeflecht fehlt fast vollständig, die Integrität des Darmepithels ist jedoch nicht kompromittiert. Die anderen IFs des Terminalgeflechts sind ebenfalls fehlverteilt, und die intestinale Expression von Aktin ist stark reduziert. Expressionskonstrukte des Gens zeigten weiterhin, dass es darmspezifisch synthetisiert wird und mit den IFs im Terminalgeflecht kolokalisiert. Das Protein ist, ähnlich wie das IF-assoziierte Filaggrin der Säuger ausgesprochen histidinreich. Es enthält außerdem eine Prolin-reiche Domäne, die Teil einer potentiellen Aktin-Bindedomäne ist. Auf Grund all dieser Eigenschaften wird die Bezeichnung IFO-1 (intermediate filament organizer) für das neue Protein vorgeschlagen, das möglicherweise als struktureller Zytoskelett-Linker wirkt. Die vorgestellten Ergebnisse untermauern die Bedeutung von C. elegans für die Identifizierung von Faktoren, die IF-Netzwerke regulieren, und die Möglichkeit, Defekte im lebenden Gesamtorganismus zu bestimmen.

Caenorhabditis elegans Heterochromatin protein 1 (HPL-2) links developmental plasticity, longevity and lipid metabolism

Background Heterochromatin protein 1 (HP1) family proteins have a well-characterized role in heterochromatin packaging and gene regulation. Their function in organismal development, however, is less well understood. Here we used genome-wide expression profiling to assess novel functions of the Caenorhabditis elegans HP1 homolog HPL-2 at specific developmental stages. Results We show that HPL-2 regulates the expression of germline genes, extracellular matrix components and genes involved in lipid metabolism. Comparison of our expression data with HPL-2 ChIP-on-chip profiles reveals that a significant number of genes up- and down-regulated in the absence of HPL-2 are bound by HPL-2. Germline genes are specifically up-regulated in hpl-2 mutants, consistent with the function of HPL-2 as a repressor of ectopic germ cell fate. In addition, microarray results and phenotypic analysis suggest that HPL-2 regulates the dauer developmental decision, a striking example of phenotypic plasticity in which environmental conditions determine developmental fate. HPL-2 acts in dauer at least partly through modulation of daf-2/IIS and TGF-β signaling pathways, major determinants of the dauer program. hpl-2 mutants also show increased longevity and altered lipid metabolism, hallmarks of the long-lived, stress resistant dauers. Conclusions Our results suggest that the worm HP1 homologue HPL-2 may coordinately regulate dauer diapause, longevity and lipid metabolism, three processes dependent on developmental input and environmental conditions. Our findings are of general interest as a paradigm of how chromatin factors can both stabilize development by buffering environmental variation, and guide the organism through remodeling events that require plasticity of cell fate regulation.

Promoter- and RNA polymerase II-dependent hsp-16 gene association with nuclear pores in Caenorhabditis elegans.

Some inducible yeast genes relocate to nuclear pores upon activation, but the general relevance of this phenomenon has remained largely unexplored. Here we show that the bidirectional hsp-16.2/41 promoter interacts with the nuclear pore complex upon activation by heat shock in the nematode Caenorhabditis elegans. Direct pore association was confirmed by both super-resolution microscopy and chromatin immunoprecipitation. The hsp-16.2 promoter was sufficient to mediate perinuclear positioning under basal level conditions of expression, both in integrated transgenes carrying from 1 to 74 copies of the promoter and in a single-copy genomic insertion. Perinuclear localization of the uninduced gene depended on promoter elements essential for induction and required the heat-shock transcription factor HSF-1, RNA polymerase II, and ENY-2, a factor that binds both SAGA and the THO/TREX mRNA export complex. After induction, colocalization with nuclear pores increased significantly at the promoter and along the coding sequence, dependent on the same promoter-associated factors, including active RNA polymerase II, and correlated with nascent transcripts.

Molecular basis of Corynebacterium diphtheriae virulence and infection in the Caenorhabditis elegans model host

Corynebacterium diphtheriae is the causative agent of cutaneous and pharyngeal diphtheria in humans. While lethality is certainly caused by diphtheria toxin, corynebacterial colonization may primarily require proteinaceous fibers called pili, which mediate adherence to specific tissues. The type strain of C. diphtheriae possesses three distinct pilus structures, namely the SpaA, SpaD, and SpaH-type pili, which are encoded by three distinct pilus gene clusters. The pilus is assembled onto the bacterial peptidoglycan by a specific transpeptidase enzyme called sortase. Although the SpaA pili are shown to be specific for pharyngeal cells in vitro, little is known about functions of the three pili in bacterial pathogenesis. This is mainly due to lack of in vivo models of corynebacterial infection. As an alternative to mouse models as mice do not have functional receptors for diphtheria toxin, in this study I use Caenorhabditis elegans as a model host for C. diphtheriae. A simple C. elegans model would be beneficial in determining the specific role of each pilus-type and the literature suggests that C. elegans infection model can be used to study a variety of bacterial species giving insight into bacterial virulence and host-pathogen interactions. My study examines the hypothesis that pili and toxin are major virulent determinants of C. diphtheriae in the C. elegans model host.

Modern tools to study nuclear pore complexes and nucleocytoplasmic transport in Caenorhabditis elegans.

The nematode Caenorhabditis elegans is characterized by many features that make it highly attractive to study nuclear pore complexes (NPCs) and nucleocytoplasmic transport. NPC composition and structure are highly conserved in nematodes and being amenable to a variety of genetic manipulations, key aspects of nuclear envelope dynamics can be observed in great details during breakdown, reassembly, and interphase. In this chapter, we provide an overview of some of the most relevant modern techniques that allow researchers unfamiliar with C. elegans to embark on studies of nucleoporins in an intact organism through its development from zygote to aging adult. We focus on methods relevant to generate loss-of-function phenotypes and their analysis by advanced microscopy. Extensive references to available reagents, such as mutants, transgenic strains, and antibodies are equally useful to scientists with or without prior C. elegans or nucleoporin experience.

The Caenorhabditis elegans histone hairpin-binding protein is required for core histone gene expression and is essential for embryonic and postembryonic cell division.

As in all metazoans, the replication-dependent histone genes of Caenorhabditis elegans lack introns and contain a short hairpin structure in the 3' untranslated region. This hairpin structure is a key element for post-transcriptional regulation of histone gene expression and determines mRNA 3' end formation, nuclear export, translation and mRNA decay. All these steps contribute to the S-phase-specific expression of the replication-dependent histone genes. The hairpin structure is the binding site for histone hairpin-binding protein that is required for hairpin-dependent regulation. Here, we demonstrate that the C. elegans histone hairpin-binding protein gene is transcribed in dividing cells during embryogenesis and postembryonic development. Depletion of histone hairpin-binding protein (HBP) function in early embryos using RNA-mediated interference leads to an embryonic-lethal phenotype brought about by defects in chromosome condensation. A similar phenotype was obtained by depleting histones H3 and H4 in early embryos, indicating that the defects in hairpin-binding protein-depleted embryos are caused by reduced histone biosynthesis. We have confirmed this by showing that HBP depletion reduces histone gene expression. Depletion of HBP during postembryonic development also results in defects in cell division during late larval development. In addition, we have observed defects in the specification of vulval cell fate in animals depleted for histone H3 and H4, which indicates that histone proteins are required for cell fate regulation during vulval development.

Specificities of Caenorhabditis elegans and human hairpin binding proteins for the first nucleotide in the histone mRNA hairpin loop.

The 3' ends of animal replication-dependent histone mRNAs are formed by endonucleolytic cleavage of the primary transcripts downstream of a highly conserved RNA hairpin. The hairpin-binding protein (HBP) binds to this RNA element and is involved in histone RNA 3' processing. A minimal RNA-binding domain (RBD) of approximately 73 amino acids that has no similarity with other known RNA-binding motifs was identified in human HBP [Wang Z-F et al., Genes & Dev, 1996, 10:3028-3040]. The primary sequence identity between human and Caenorhabditis elegans RBDs is 55% compared to 38% for the full-length proteins. We analyzed whether differences between C. elegans and human HBP and hairpins are reflected in the specificity of RNA binding. The C. elegans HBP and its RBD recognize only their cognate RNA hairpins, whereas the human HBP or RBD can bind both the mammalian and the C. elegans hairpins. This selectivity of C. elegans HBP is mostly mediated by the first nucleotide in the loop, which is C in C. elegans and U in all other metazoans. By converting amino acids in the human RBD to the corresponding C. elegans residues at places where the latter deviates from the consensus, we could identify two amino acid segments that contribute to selectivity for the first nucleotide of the hairpin loop.

Monepantel irreversibly binds to and opens Haemonchus contortus MPTL-1 and Caenorhabditis elegans ACR-20 receptors.

Monepantel is a recently developed anthelmintic with a novel mode of action. Parasitic nematodes with reduced sensitivity to monepantel have led to the identification of MPTL-1, a ligand-gated ion-channel subunit of the parasitic nematode Haemonchus contortus, as a potential drug target. Homomeric MPTL-1 channels reconstituted in Xenopus oocytes are gated by µM concentrations of betaine and mM concentrations of choline. Measurement of reversal potentials indicated that the channel has a similar conductance for Na(+) and K(+) ions and does not permeate Ca(2+). Concentrations of monepantel (amino-acetonitrile derivative [AAD]-2225) >0.1 μM, but not its inactive enantiomer AAD-2224, induced channel opening in an irreversible manner. Currents elicited by monepantel alone were larger than the maximal current amplitudes achieved with betaine or choline, making monepantel a superagonist. Currents elicited by betaine or choline were allosterically potentiated by nM concentrations of monepantel and to a much smaller degree by AAD-2224. We have also reconstituted the Caenorhabditis elegans homomeric ACR-20 receptor in Xenopus oocytes. The acr-20 sequence has higher similarity to mptl-1 than acr-23, the primary target for monepantel mode of action in C. elegans. The ACR-20 channel is gated similarly as MPTL-1. Monepantel, but not AAD-2224, was able to induce channel opening in an irreversible manner at similar concentrations as for MPTL-1. Interestingly, the allosteric potentiation measured in the presence of betaine was much smaller than in MPTL-1 receptors. Together, these results establish the mode of action of monepantel in H. contortus and contribute to our understanding of the mode of action of this anthelmintic.