The Effect of Mitochondrial Genome Variation in Bacterial Infections

Abstract

The immune response is a complex system that varies between individuals. Understanding the underlying reasons for this variation remains a challenge in immunology and could provide the necessary tools for medicine to better treat infections. A part of this variation may arise from a relatively understudied source, the mitochondrial genome (mtDNA). The mitochondrion is a cellular organelle responsible for producing adenosine triphosphate (ATP) for the cells to be used as energy. However, it has also been shown to have a central role participating in other cellular functions through mitochondrial signaling. Interest in the role of mitochondria in immune responses has increased in the past decade, but the effect of mtDNA variation on bacterial infection is still relatively understudied partially due to the challenge of distinguishing between variation originating from other sources. This thesis utilized the widely used model species Drosophila melanogaster, also known as the fruit fly, to study the effect of mtDNA variation in bacterial infection. Cytoplasmic hybrid lines (cybrids) of Drosophila with six different mtDNA variants on two different nuclear back-grounds (Oregon R-T and W1118) were infected with a gram-positive bacteria Staphylococcus aureus and the survival of the flies was observed. Additionally, mtDNA variants in their native nuclear backgrounds were studied. The number of bacteria in the flies was also determined for two mitochondrial variant strains of interest at a late stage of infection. The results suggest that the immunocompetence of most of the used cybrid lines is decreased as a result of the chosen mtDNA variants. One of the used cybrid lines, however, shows a possible heightened survival probability against the infection. The bacterial loads in the flies indicate that there may be variation in immune resistance and tolerance between the fly lines. The results of this thesis can be used to further investigate the effects of the mtDNA of the used cybrid lines to investigate the variation in immune responses.

Immuunivaste on monimutkainen järjestelmä, jossa on eroja yksilöiden välillä. Tämän vaihtelun taustalla olevien syiden ymmärtäminen on immunologian yksi tämänhetkisistä haasteista ja voisi tarjota lääketieteelle tarvittavat keinot infektioiden parempaan hoitoon. Osa tästä vaihtelusta saattaa juontua suhteellisen vähän tutkitusta lähteestä: mitokondriaalisesta genomista (mtDNA). Mitokondrio on soluelin, joka vastaa adenosiinitrifosfaatin (ATP) tuottamisesta solujen energianlähteeksi. Mitokondriolla on kuitenkin todettu olevan keskeinen rooli myös solun muissa toiminnoissa mitokondriaalisen signaloinnin välityksellä. Kiinnostus mitokondrioiden rooliin immuunivasteissa on noussut viimeisen vuosikymmenen aikana, mutta mitokondriaalisen DNA:n variaation vaikutusta bakteeri-infektioihin on tutkittu tähän mennessä suhteellisen vähän. Tämä johtuu osittain hankaluuksista erottaa eri tekijöistä johtuva vaihtelu toisistaan. Tässä kandidaatintyössä hyödynnettiin mallilajina Drosophila melanogaster banaanikärpästä mitokondriaalisen DNA:n variaation vaikutuksen tutkimiseen bakteeri-infektioissa. Sytoplasmisia hybridilinjoja (sybridi) kuudella eri mtDNA-variantilla ja kahdella eri tuman genomilla (ns. nukleaarinen tausta; Oregon R-T ja W1118) infektoitiin grampositiivisella Staphylococcus aureus bakteerilla, jonka jälkeen kärpästen selviytymistä seurattiin. Lisäksi tutkittiin mtDNA-variantteja alkuperäisissä nukleaarisissa taustoissaan. Tämän lisäksi määritettiin bakteerien määrä myöhemmässä infektion vaiheessa kärpäslinjoissa, jotka sisälsivät kahta mielenkiintoista mtDNA-varianttia. Kokeiden tulokset viittaavat siihen, että immunokompetenssi on laskenut suurimmalla osalla käytetyistä sybridilinjoista valittujen mtDNA-varianttien vaikutusten seurauksena. Yhdellä käytetyistä sybridilinjoista näyttäisi kuitenkin olevan kohonnut immunokompetenssi S. aureus -infektiota vastaan. Bakteerien määrät kärpäsissä osoittavat, että kärpäslinjojen välillä voi olla eroja immuunijärjestelmän vastustus- ja sietokyvyissä. Tämän kandidaatintyön tuloksia voidaan hyödyntää käytettyjen sybridilinjojen mtDNA:n vaikutusten jatkotutkimuksessa immuunivasteen vaihtelun syiden selvittämiseksi.