Linking the coevolutionary and population dynamics of host-parasitoid interactions

The interplay between coevolutionary and population or community dynamics is currently the focus of much empirical and theoretical consideration. Here, we develop a simulation model to study the coevolutionary and population dynamics of a hypothetical host-parasitoid interaction. In the model, host resistance and parasitoid virulence are allowed to coevolve. We investigate how trade-offs associated with these traits modify the system's coevolutionary and population dynamics. The most important influence on these dynamics comes from the incorporation of density-dependent costs of resistance ability. We find three main outcomes. First, if the costs of resistance are high, then one or both of the players go extinct. Second, when the costs of resistance are intermediate to low, cycling population and coevolutionary dynamics are found, with slower evolutionary changes observed when the costs of virulence are also low. Third, when the costs associated with resistance and virulence are both high, the hosts trade-off resistance against fecundity and invest little in resistance. However, the parasitoids continue to invest in virulence, leading to stable host and parasitoid population sizes. These results support the hypothesis that costs associated with resistance and virulence will maintain the heritable variation in these traits found in natural populations and that the nature of these trade-offs will greatly influence the population dynamics of the interacting species.

Drosophila melanogaster as a model to study host-parasitoid interactions: the case of the polydnaviral protein TnBVANK1

Parasitic wasps attack a number of insect species on which they feed, either externally or internally. This requires very effective strategies for suppressing the immune response and a finely tuned interference with the host physiology that is co-opted for the developing parasitoid progeny. The wealth of physiological host alterations is mediated by virulence factors encoded by the wasp or, in some cases, by polydnaviruses (PDVs), unique viral symbionts injected into the host at oviposition along with the egg, venom and ovarian secretions. PDVs are among the most powerful immunosuppressors in nature, targeting insect defense barriers at different levels. During my PhD research program I have used Drosophila melanogaster as a model to expand the functional analysis of virulence factors encoded by PDV focusing on the molecular processes underlying the disruption of the host endocrine system. I focused my research on a member of the ankyrin (ank) gene family, an immunosuppressant found in bracovirus, which associates with the parasitic wasp Toxoneuron nigriceps. I found that ankyrin disrupts ecdysone biosynthesis by impairing the vesicular traffic of ecdysteroid precursors in the cells of the prothoracic gland and results in developmental arrest.

Host-symbiont interactions in the deep-sea vent mussel Bathymodiolus azoricus : a molecular approach

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar, especialidade de Biologia Marinha, 19 de Dezembro de 2015, Universidade dos Açores.

Host-microorganism interactions in lung diseases.

Until recently, the airways were thought to be sterile unless infected; however, a shift towards molecular methods for the quantification and sequencing of bacterial DNA has revealed that the airways harbour a unique steady-state microbiota. This paradigm shift is changing the way that respiratory research is approached, with a clear need now to consider the effects of host-microorganism interactions in both healthy and diseased lungs. We propose that akin to recent discoveries in intestinal research, dysbiosis of the airway microbiota could underlie susceptibility to, and progression and chronicity of lung disease. In this Opinion article, we summarize current knowledge of the airway microbiota and outline how host-microorganism interactions in the lungs and other tissues might influence respiratory health and disease.

Coevolution of hosts and microorganisms: an analysis of the involvment of cytokines in host-parasite interactions

Parasites may employ particular strategies of eluding an immune response by taking advantage of those mechanisms that normally guarantee immunological self-tolerance. Much in the way as it occurs during the establishment of self-tolerance, live pathogens may induce clonal deletion, functional inactivation(anergy) and immunosupression. At this latter level, it appears that certain pathogens produce immunosupresive cytokine-like mediators or provoke like host the secrete cytokines that will compromise the anti-parasite immune response. It appears that immune responses that preferentially involve T helper l cells (secretors of interleukin-2-and interferon-y) tend to be protective, whereas T helper 2 cells (secretors of IL-4, IL5, IL-6, and IL-10), a population that antagonizes T helper cells, mediate disease susceptibility and are immunopathological reactions. Cytokines produced by T helper 2 cells mediate many symptoms of infection, including eosinophilia, mastocytosis, hyperimmunoglobulinemia, and elevated IgE levels. Administration of IL-2 and IFN-y has beneficial effects in many infections mediated by viruses, bacteria, and protozoa. The use of live vaccinia virus might be an avenue for the treatment of or vaccination against infection. We have found that a vaccinia virus expressing the gene for human IL-2, though attenuated, precipitates autoimmune disease in immunodeficient athymic mice. Thus, although T helper l cytokines may have desired immunostimulatory properties, they also may lead to unwarranted autoaggressive responses.

Observation on the host parasitoid interaction between Periplaneta americana, the American cockroach and Tetrastichus hagenowii, an oothecal parasitoid

Investigations were carried out on the host parasitoid interaction between Periplaneta americana, the American cockroach and Tetrastichus hagenowii, an oothecal parasitoid. This gregarious female parasitoid infected and or oviposited in only one host and caused 100 por cento mortality of the infected host. However, increase in parasitoid density decreased the progeny production and influenced the sex ratio. The progenies produced were male biased. When host preference was tested by offering oothecae of different species of cockroaches, T. hagenowii showed a predilection towards the oothecae of P. americana, suggestings its host specificity.

Current millennium biotechniques for biomedical research on parasites and host-parasite interactions

The development of biotechnology in the last three decades has generated the feeling that the newest scientific achievements will deliver high standard quality of life through abundance of food and means for successfully combating diseases. Where the new biotechnologies give access to genetic information, there is a common belief that physiological and pathological processes result from subtle modifications of gene expression. Trustfully, modern genetics has produced genetic maps, physical maps and complete nucleotide sequences from 141 viruses, 51 organelles, two eubacteria, one archeon and one eukaryote (Saccharomices cerevisiae). In addition, during the Centennial Commemoration of the Oswaldo Cruz Institute the nearly complete human genome map was proudly announced, whereas the latest Brazilian key stone contribution to science was the publication of the Shillela fastidiosa genomic sequence highlythed on a Nature cover issue. There exists a belief among the populace that further scientific accomplishments will rapidly lead to new drugs and methodological approaches to cure genetic diseases and other incurable ailments. Yet, much evidence has been accumulated, showing that a large information gap exists between the knowledge of genome sequence and our knowledge of genome function. Now that many genome maps are available, people wish to know what are we going to do with them. Certainly, all these scientific accomplishments will shed light on many more secrets of life. Nevertheless, parsimony in the weekly announcements of promising scientific achievements is necessary. We also need many more creative experimental biologists to discover new, as yet un-envisaged biotechnological approaches, and the basic resource needed for carrying out mile stone research necessary for leading us to that "promised land"often proclaimed by the mass media.

Inhibition of Trypanosoma cruzi proline racemase affects host-parasite interactions and the outcome of in vitro infection

Proline racemase is an important enzyme of Trypanosoma cruzi and has been shown to be an effective mitogen for B cells, thus contributing to the parasite's immune evasion and persistence in the human host. Recombinant epimastigote parasites overexpressing TcPRAC genes coding for proline racemase present an augmented ability to differentiate into metacyclic infective forms and subsequently penetrate host-cells in vitro. Here we demonstrate that both anti T. cruzi proline racemase antibodies and the specific proline racemase inhibitor pyrrole-2-carboxylic acid significantly affect parasite infection of Vero cells in vitro. This inhibitor also hampers T. cruzi intracellular differentiation.

Amoebae as a tool to isolate new bacterial species, to discover new virulence factors and to study the host-pathogen interactions.

Amoebae are unicellular protozoan present worldwide in several environments mainly feeding on bacteria. Some of them, the amoebae-resistant bacteria (ARBs), have evolved mechanisms to survive and replicate inside amoebal species. These mainly include legionella, mycobacteria and Chlamydia-related bacteria. Amoebae can provide a replicative niche, can act as reservoir for bacteria whereas the cystic form can protect the internalized bacteria. Moreover, the amoebae represent a Trojan horse for ARBs to infect animals. The long interaction between amoebae and bacteria has likely selected for bacterial virulence traits leading to the adaptation towards an intracellular lifestyle, and some ARBs have acquired the ability to infect mammals. This review intends to highlight the important uses of amoebae in several fields in microbiology by describing the main tools developed using amoebal cells. First, amoebae such as Acanthamoeba are used to isolate and discover new intracellular bacterial species by two main techniques: the amoebal co-culture and the amoebal enrichment. In the second part, taking Waddlia chondrophila as example, we summarize some important recent applications of amoebae to discover new bacterial virulence factors, in particular thanks to the amoebal plaque assay. Finally, the genetically tractable Dictyostelium discoideum is used as a model organism to study host-pathogen interactions, in particular with the development of several approaches to manipulate its genome that allowed the creation of a wide range of mutated strains largely shared within the Dictyostelium community.

Genomics of host-pathogen interactions.

The study of immunity against infection can be framed in the context of genomics. First, long-term association with pathogens results in genomic signatures that result from positive selection. Evolutionary pressures tailor species or individual responses to pathogens, that may be associated with skewed patterns of immunity. Second, recent human population expansion carries an increasing burden of genetic mutation that can result in sporadic immunodeficiencies, and more generally, in diversity in susceptibility to infection. This review highlights current concepts and tools for the analysis of genomes and stresses the interest of these approaches in immunity.

Early life host-microbe interactions : implications for the development of asthma

Plus de 300 millions de personnes dans le monde souffrent de l'asthme. L'asthme est une maladie inflammatoire chronique des voies respiratoires caractérisée par des symptômes variables et récurrents, une obstruction bronchique réversible et des bronchospasmes. Les symptômes communs incluent une respiration sifflante, de la toux, une oppression thoracique et de la dyspnée. Normalement, la maladie commence à se manifester pendant l'enfance. Pourtant, facteurs génétiques héréditaires et événements environnementaux survenant au cours de la petite enfance sont responsables de sa manifestation, indiquant que le développement de la maladie est lié à des événements qui se produisent bien avant son déclenchement. L'infection respiratoire virale aiguë constitue un de ces facteurs environnementaux jouant un rôle prépondérant. Un des virus les plus communs est le virus respiratoire syncytial (VRS), qui infecte presque tous les enfants avant l'âge de 2 ans. Ce virus, s'il infecte des tout-petits, peut en effet provoquer une bronchiolite aiguë, un phénomène qui a été épidémiologiquement lié à l'apparition d'asthme plus tard dans la vie. Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons étudié, chez la souris, comment une infection avec le VRS influe sur l'asthme allergique. Nous avons constaté que seule l'infection des souris à l'état de nouveau-né prédispose à un asthme allergique plus sévère chez l'adulte. En effet, si des souris adultes étaient infectées, elles étaient protégées contre l'apparition des symptômes asthmatiques. Cela nous a mené à investiguer les mécanismes immunitaires spécifiques durant cette courte période du début de la vie. Deux événements se produisent en parallèle au cours de la petite enfance: (1) Le système immunitaire, qui est encore immature immédiatement après la naissance, commence à se développer pour être en mesure de jouer son rôle protecteur contre les agents infectieux. (2) Le corps, y compris les poumons, est colonisé par des bactéries commensales, qui vivent en symbiose avec leur hôte humain. Chez l'adulte, ces bactéries sont connues pour influencer notre système immunitaire, l'éduquant à générer des réponses immunitaires adéquates et efficaces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons voulu déterminer si ces bactéries symbiotiques étaient impliquées dans l'éducation du système immunitaire du nouveau-né et quelles conséquences cela pourrait avoir sur les réponses immunitaires engendrées par ce dernier. Pour étudier l'effet de ces bactéries symbiotiques, nous avons utilisé des souris stériles, en d'autres termes des souris qui n'hébergent pas ces bactéries symbiotiques. En comparant ces souris stériles à des souris qui abritent une flore microbienne normale, nous avons constaté que les bactéries symbiotiques sont vitales pour la bonne éducation du système immunitaire du nouveau-né. Nous avons démontré que le contact direct des cellules immunitaires avec la flore microbienne dans les poumons modifie le phénotype de ces cellules immunitaires, ce qui change probablement leur réaction au cours de réponses immunitaires. Nous avons donc vérifié si l'éducation immunitaire induite par cette microflore est importante pour prévenir les maladies pulmonaires telles que l'asthme allergique, affections qui sont causées par une réaction excessive du système immunitaire envers des agents inoffensifs. En effet, nous avons observé que le processus de maturation du système immunitaire néonatal, lequel a été déclenché et façonné par la flore microbienne, est important pour éviter une réaction asthmatique exagérée chez la souris adulte. Ce phénomène est dû aux lymphocytes T régulateurs. Ces cellules, dont la présence est induite dans les poumons, ont des capacités immunosuppressives et atténuent donc les réponses immunitaires pour prévenir une inflammation excessive. En conclusion, nous avons montré dans cette thèse que la colonisation par des bactéries symbiotiques tôt dans la vie est un événement décisif pour la maturation du système immunitaire et pour prévenir le développement de l'asthme. Dans l'avenir, il serait intéressant de découvrir quelles bactéries sont présentes dans les poumons du nouveau-né et lesquelles sont directement impliquées dans ce processus de maturation immunitaire. Une prochaine étape serait alors de favoriser la présence de ces bactéries au début de la vie au moyen d'un traitement avec des agents pré- ou probiotiques, ce qui pourrait éventuellement contribuer à une prévention précoce du développement de l'asthme. -- L'asthme est une maladie chronique inflammatoire des voies respiratoires affectant près de 300 millions d'individus dans le monde. Bien que les traits caractéristiques du phénotype asthmatique s'établissent généralement pendant l'enfance, la prédisposition au développement de la maladie est intimement liée à des événements survenant durant la petite enfance, comme le sont par exemple les infections virales respiratoires aiguës. Les mécanismes par lesquels ces événements provoquent un dysfonctionnement immunitaire et, par conséquent, conduisent au développement de l'asthme n'ont pas encore été entièrement décelés. La dysbiose du microbiote des voies respiratoires a été récemment associes au phénotype asthmatique, touisTcis, la cuûoboiatioî! d un lien cause à effet entre la dysbiose microbienne et l'apparition des symptômes asthmatiques reste à être démontrée. Dans cette thèse, nous avons étudié le rôle que joue la colonisation microbienne des voies respiratoires au cours de la petite enfance dans la maturation du système immunitaire ainsi que dans la protection contre l'inflammation pulmonaire de type allergique. Nous avons de surcroît développé un modèle expérimental pour comprendre comment les infections virales respiratoires interfèrent avec ce processus. Dans la première partie de cette thèse, nous avons évalué l'effet d'infections causées par le virus respiratoire syncytial (VRS) sur le développement de l'asthme. En accord avec des études épidémiologiques, nous avons constaté qu'une infection au VRS lors de la période néonatale exacerbait les réponses pulmonaires allergiques ultérieures. Par contraste, une infection à l'âge adulte avait un effet protecteur. Nous avons ainsi démontré que l'influence d'une infection à VRS sur l'issue et la sévérité de l'asthme respiratoire était strictement dépendante de l'âge. Ces résultats nous ont conduit à émettre l'hypothèse que des différences dans le phénotype homéostatique des cellules immunitaires pourraient être responsables de ces disparités liées à l'âge. Par conséquent, dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons suivi et caractérisé le processus de maturation des cellules immunitaires dans les poumons du nouveau-né en condition d'homéostasie. Nous avons découvert que leur phénotype change de façon dynamique pendant le développement néonatal et que la colonisation par des microbes était déterminante pour la maturation des cellules immunitaires dans les poumons. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons démontré comment le microbiote pulmonaire éduque le développement immunitaire durant la période néonatale l'orientant de manière à induire une tolérance face aux aéroallergènes. Nous avons découvert que la colonisation microbienne des voies respiratoires provoque une expression transitoire de PD-L1 sur les cellules dendritiques (CD) pulmonaires du type CD11b+ dans les deux premières semaines de la vie. Cet événement engendre par la suite la génération de lymphocytes T régulateurs (TREG) dans les poumons, lesquels sont responsables de la protection contre une réponse inflammatoire allergique exagérée chez la souris adulte. Par conséquent, nous proposons un rôle pivot de la maturation immunitaire induite par le microbiote pulmonaire dans l'établissement de la tolérance aux aéroallergènes. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse fournissent de nouveaux indices révélant comment des événements se produisant lors de la petite enfance peuvent façonner les réponses du système immunitaire dirigées contre les allergènes et soulignent le rôle central joué par le microbiote pulmonaire dans l'édification d'une réponse immunitaire équilibrée. En résumé, notre travail met en évidence le microbiote pulmonaire comme étant une cible potentielle pour la prévention de certaines maladies respiratoires. -- Asthma is a chronic inflammatory disorder of the respiratory tract and affects approximately 300 million individuals world-wide. Although the asthmatic phenotype commonly establishes during childhood, predisposition towards disease development has been linked to events in early infancy, such as severe respiratory viral infections. However, the mechanisms by which these events cause immune dysfunction and, therefore, lead to the development of asthma have yet to be fully deciphered. Dysbiosis of the airway microbiota has recently been associated with the asthmatic phenotype; however, conclusive evidence for a causal link between microbial dysbiosis in the ail ways and asthma development is still missing. In this thesis we investigated the role of early-life microbial airway colonization in immune maturation and the protection against allergic airway inflammation and established an experimental model to address how respiratory viral infections interfere in this process. In the first part of this thesis we evaluated the effect of Respiratory syncytial virus (RSV) infections on the development of asthma. In concurrence with epidemiological studies, we found that neonatal infection exacerbated subsequent allergic airway inflammation. In contrast, adult infection was protective in the same context. Thus, we could demonstrate that the influence of RSV infection on subsequent allergic airway responses was strictly age-dependent. These findings led us to the hypothesis that differences in the homeostatic phenotype of immune cells could be responsible for the age-related disparities seen within the context of RSV. Therefore, in a second part of this thesis, we followed the process of homeostatic immune cell maturation in the neonatal lung. Immune cell phenotypes changed dynamically during neonatal development. We discovered that the colonization with microbes was central to the maturation of immune cells in the lung. In the last part of this thesis, we demonstrated how microbiota-driven immune development during the neonatal period induces tolerance against aeroallergens. We discovered that microbial colonization led to a transient programmed death-ligand (PD-L) 1 expression on CD11b+ pulmonary dendritic cells (DCs) during the first two weeks of life. This in turn induced regulatory T (TREG) cells in the lung, which were responsible for the protection against exaggerated allergic airway inflammation in adult mice. Thus, we propose a key role for microbiota-driven immune maturation in the establishment of tolerance towards aeroallergens. In conclusion, the results presented in this thesis provide new insights into how early-life events shape pulmonary immune responses towards allergens and suggest the airway microbiota as a key player in establishing a balanced immune response. Overall, our work highlights the airway microbiota as potential target for disease prevention.