New aspects of coccidia-triggered modulation of the host cellular cell cycle
Seiten
2025
VVB Laufersweiler Verlag
978-3-8359-7225-4 (ISBN)
VVB Laufersweiler Verlag
978-3-8359-7225-4 (ISBN)
Neue Aspekte der durch Kokzidien induzierten Modulation des zellulären Zellzyklus der Wirtszelle:
Die Apikomplexa beinhalten eine große Gruppe protozoärer Parasiten mit obligat intrazellulärer Lebensweise, die weltweit wichtige Infektionen bei Mensch und Tier verursachen. Zur Familie der Sarcocystidae gehören Arten wie Toxoplasma gondii, ein bedeutender zoonotischer Erreger, und Neospora caninum, der Aborte bei Rindern und neurologische Störungen bei kaninen Wirten verursachen kann. Obwohl sich beide Parasiten in wichtigen Aspekten der Wirtsspezifität und des Lebenszyklus unterscheiden, modulieren sie gleichermaßen diverse funktionelle Kategorien der Wirtszellen, um ihre intrazelluläre Entwicklung zu ermöglichen. Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf vergleichende Untersuchungen zur T. gondii- und N. caninum-vermittelten Dysregulation des wirtszellulären Zellzyklus.
Grundsätzlich beeinflusst T. gondii den Wirtszellzyklus signifikant, unabhängig von MOI, Infektionszeitpunkt und dem verwendeten Zellmodell. Während frühere Studien meist immortalisierte oder Tumorzellen, die typischerweise einen veränderten Zellzyklus aufweisen, analysierten, wurden hier primäre Zelllinien als Wirtzellen vergleichend untersucht, und dabei sowohl unterschiedliche Zelltypen (Endothelzellen, Epithelzellen und Fibroblasten) als auch Herkunft (Mensch und Rind) berücksichtigt. Insgesamt zeigte sich, dass T. gondii-Infektionen in zelltyp- und herkunfts-unabhängiger Weise zu einer wirtszellulären Stase in der S-Phase führten. Bemerkenswerterweise blieb dabei die Expression des Zyklin B1 als wichtigen Regulator des Mitose-Eintritts bei allen Zelltypen unverändert; entsprechend scheint der Mitose-Kontrollpunkt nicht an Zellzyklusarretierung beteiligt zu sein. Neben Interphase-assoziierten Alterationen induzierten T. gondii-Infektionen Defekte in allen Mitosephasen, wie z. B. Fehlkondensierung der Chromosomen und Bildung überzähliger Zentrosomen. Darüber hinaus zeigten alle verwendeten Zelltypen einen erhöhten Anteil an Doppelkernigkeit, was auf eine gestörte Zytokinese hinwies.
Da unterschiedliche T. gondii-Genotypen im Feld mit einer variierenden Pathogenität assoziiert sind, wurde weiterhin untersucht, ob Ausmaß oder Effekte der T. gondii-vermittelten Wirtszellzyklusdysregulierung haplotypabhängig sind. Dazu wurden die Effekte der T. gondii-Stämme Me49 (Haplotyp II) und NED (Haplotyp III) im direkten Vergleich mit dem RH-Stamm (Haplotyp I) in primären Wirtszellen unter identischen Bedingungen untersucht. In Übereinstimmung mit dem RH-Stamm induzierte sowohl der Me49- als auch der NED-Stamm eine Arretierung der Wirtszelle in der S-Phase, allerdings konnte nur für NED-Infektionen eine Verminderung des Zyklin B1 als wichtigen Regulator konstatiert werden. Darüber hinaus war die Mitoserate in NED-infizierten Zellen signifikant reduziert und es traten irreguläre Chromosomenanordnungen und -brücken in der Mitose auf. In Analogie zum RH-Stamm führten beide Stämme zu einem gesteigerten Anteil doppelkerniger Wirtszellen und somit ebenfalls zur Beeinträchtigung der Zytokinese. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Phänotyp erstmals für alle Haplotypen gleichermaßen beschrieben, so dass ein T. gondii-intrinsischer Mechanismus abgeleitet werden kann.
Chromosomenfehlverteilungen und Beeinträchtigungen der Zytokinese sind Schlüsselmerkmale der Chromosomeninstabilität, die meist mit DNA-Schäden in Zellen einhergeht. Tatsächlich induzierten in der vorliegenden Arbeit sowohl der RH- als auch die Me49- und NED-Stämme DNA-Doppelstrangbrüche in Wirtszellen, wobei RH-Infektionen die stärksten Schäden verursachten. Dies bestätigte sich auch für zytokinesedefekte, doppelkernige Wirtszellen nach Infektionen mit RH- und NED-Tachyzoiten. Interessanterweise wiesen NED-infizierte Zellen zudem ein erhöhtes Maß an Mikronuklei auf, was auf eine stammspezifische Beeinträchtigung der genomischen Stabilität von Wirtszellen hinweisen könnte.
Bei genotoxischem Stress aktivieren Zellen die sog. DNA Damage Response, um die Integrität des Genoms zu erhalten. Diese DNA-Reparaturmechanismen beinhalten die Aktivierung der Signalwege der homologous recombination (HR) oder des non-homologous end joining (NHEJ). Die hiesigen Untersuchungen bestätigten eine (RH) infektionsinduzierte Aktivierung des HR-Signalwegs in primären Wirtszellen, die mit einer Hochregulierung von im ATM-Stoffwechselweg eingebundenen Proteinen verbunden war, was typisch für DNA-Doppelstrangbrüche ist.
In einem letzten Arbeitspaket wurden die zellzyklus-assoziierte Analysen auf einen weiteren apikomplexen Parasiten, N. caninum, ausgedehnt, um eventuelle artspezifische Mechanismen herauszustellen. Tatsächlich führte die N. caninum-Infektion zu einer Stase des Zellzyklus in der späten S-Phase und zu einer Hochregulierung der Zykline A2 und B1 24 Stunden p. i. (ersteres war 32 Stunden p. i. wieder vermindert in seiner Expression), was Unregelmäßigkeiten im Zeitraum von S-Phase zum G2/M-Übergang bestätigte. Interessanterweise wurden bei dieser Infektion irreguläre Kernmorphologien, wie beispielsweise nukleäre Invaginationen, Abschnitte mit degradierter Kernmembran oder auch eine insgesamt verringerte Kernausdehnung beobachtet, was eine speziesspezifisch induzierte Alteration der Kernstruktur der Wirtszelle vermuten ließ. Weiterführende Analysen zum nukleären Protein Lamin B1 ergaben eine mit N. caninum-Infektion assoziierte, inhomogene Lamin B1-Verteilung, Kernfaltungen und -einstülpungen - Phänomene, die hier erstmals für Kokzidieninfektionen beschrieben wurden. Auch das perinukleäre Zytoskelett war verändert in infizierten Zellen, da bestimmte Aktinfilamente, die physiologischerweise an der Kernperipherie verankert sind und transversal über den Nukleus ziehen (sog. Actin cap), in infizierten Zellen fehlten. Insgesamt wurde ein vermindertes Gesamtvorkommen von Aktin in N. caninum-infizierten Zellen gemessen, was eine parasiteninduzierte Beeinträchtigung des perinukleären Aktinzytoskeletts mit nachfolgender Destabilisierung der Kernmembran und abnormen Formgebung des Kerns vermuten ließ. Da solche Beobachtungen nicht auf T. gondii-infizierte Zellen zutrafen, unterstreichen hiesige Daten eine artspezifische Modulation der Wirtszellen über Kokzidien.
Apicomplexan parasites are a large group of protists with an obligate intracellular lifestyle, impacting human and veterinary health worldwide. The Sarcocystidae family contains notable species like Toxoplasma gondii, a critical zoonotic pathogen, and Neospora caninum, cause of abortion in cattle and of neurological disorders in canid hosts. Although both parasites differ in their host specificity and in distinct aspects of their life cycle, they also share common characteristics in their sophisticated ability to modulate host cell functions. Here, we focused on molecular and cellular mechanisms involved in parasite infection-driven host cell cycle dysregulation.
T. gondii is well recognized to significantly affect host cell cycle progression, regardless of MOI, infection times and, importantly, the cellular model used in experimentation. While many former studies used immortalized or tumour cells, potentially exhibiting dysregulated cell cycling, current analyses addressed T. gondii infections in primary cells by analyzing different cell types (fibroblasts, endothelial and epithelial cells) and donor species (human, bovine). Here, we revealed a T. gondii-driven cell type- and origin-independent S-phase arrest. Notably, cyclin B1, a critical regulator of mitosis entry, remained unchanged across all cell types, indicating that mitosis checkpoint modulation is not involved in host cellular S-phase stasis. Beyond interphase effects, T. gondii infection led to aberrant mitosis in all mitotic subphases, characterized by chromosome miscondensation and supernumerary centrosome formation. Moreover, all cell types showed an increased proportion of binucleated phenotypes, indicating impaired cytokinesis, which also occurred independently of cell origin or type.
Given that different T. gondii genotypes show varying pathogenicity in the field, host cell cycle regulation may also be influenced by haplotypes. To explore this, different strain infections (Me49, NED) were comparatively analysed in primary host cells. In line with RH, Me49 and NED strains also induced host S-phase arrest. Further analyses on key regulatory proteins of S-phase control and M-phase enter revealed a cyclin B1 downregulation only for NED infections. Additionally, the mitotic rate was reduced by NED infections, concomitant with altered chromosome arrangement and irregular chromosome bridges within the mitotic spindle. Moreover, T. gondii Me49 and NED strains also led to an enhanced proportion of binucleated host cells, indicative of cytokinesis failure. Thereby, this cellular phenotype was here described for the first time for all haplotype infections, demonstrating cytokinesis impairment as intrinsic, haplotype-independent mechanism of T. gondii.
Chromosome missegregation and cytokinesis impairment are key features of chromosome instability being associated with DNA damage in cells. As determined in the current work, RH, Me49 and NED strains indeed all induced DNA double-strand breaks with the RH strain driving - by far - the most pronounced effects. Moreover, referring to cytokinesis failure, a significant proportion of both RH- and NED-infected binucleated host cells showed DNA damage foci. Interestingly, NED-infected cells exhibited an increased proportion of micronuclei, thereby highlighting parasite strain-specific insults on host cellular genomic stability.
Under genotoxic stress, cells activate the DNA damage response to maintain genome integrity. Repair mechanisms for this type of damage include the homologous recombination (HR) and non-homologous end joining (NHEJ) pathways, which were here profiled for RH strain infections. As expected, the HR pathway was activated by an upregulation of ATM pathway-related proteins, which classically are induced by DNA double-strand breaks.
Finally, current cell cycle-related analyses were extended to N. caninum infections in the same host cell type to elucidate eventual species-specific strategies. N. caninum caused late S-phase arrest concomitant with cyclin A2 and cyclin B1 upregulation at 24 h p. i. (followed by cyclin A2 decrease at 32 h), confirming irregularities from S- to G2/M transition-phase. Interestingly, irregular nuclear morphologies were observed in N. caninum-infected cells, illustrated as invaginations and stretches of nuclear membrane disintegration and quantified as smaller nuclear areas, indicating that the host cellular nuclear structure was affected by N. caninum. Further analyses on the nuclear protein lamin B1 revealed an increased proportion of cells with inhomogeneous lamin B1 patterns, several nuclear folding and invaginations, phenomena reported for the first time for coccidian infections. Moreover, the perinuclear area was altered since actin filaments normally being anchored to the nuclear periphery and transversing the nucleus (actin cap) were absent in infected cells alongside with a decreased total cellular actin abundance, highlighting that N. caninum infection indeed interferes with the host actin cytoskeleton leading to nuclear membrane destabilization and abnormal shaping. Overall, these findings contrast with alterations induced by different T. gondii strains, emphasizing species-specific events in host cell modulation.
Die Apikomplexa beinhalten eine große Gruppe protozoärer Parasiten mit obligat intrazellulärer Lebensweise, die weltweit wichtige Infektionen bei Mensch und Tier verursachen. Zur Familie der Sarcocystidae gehören Arten wie Toxoplasma gondii, ein bedeutender zoonotischer Erreger, und Neospora caninum, der Aborte bei Rindern und neurologische Störungen bei kaninen Wirten verursachen kann. Obwohl sich beide Parasiten in wichtigen Aspekten der Wirtsspezifität und des Lebenszyklus unterscheiden, modulieren sie gleichermaßen diverse funktionelle Kategorien der Wirtszellen, um ihre intrazelluläre Entwicklung zu ermöglichen. Die vorliegende Studie konzentrierte sich auf vergleichende Untersuchungen zur T. gondii- und N. caninum-vermittelten Dysregulation des wirtszellulären Zellzyklus.
Grundsätzlich beeinflusst T. gondii den Wirtszellzyklus signifikant, unabhängig von MOI, Infektionszeitpunkt und dem verwendeten Zellmodell. Während frühere Studien meist immortalisierte oder Tumorzellen, die typischerweise einen veränderten Zellzyklus aufweisen, analysierten, wurden hier primäre Zelllinien als Wirtzellen vergleichend untersucht, und dabei sowohl unterschiedliche Zelltypen (Endothelzellen, Epithelzellen und Fibroblasten) als auch Herkunft (Mensch und Rind) berücksichtigt. Insgesamt zeigte sich, dass T. gondii-Infektionen in zelltyp- und herkunfts-unabhängiger Weise zu einer wirtszellulären Stase in der S-Phase führten. Bemerkenswerterweise blieb dabei die Expression des Zyklin B1 als wichtigen Regulator des Mitose-Eintritts bei allen Zelltypen unverändert; entsprechend scheint der Mitose-Kontrollpunkt nicht an Zellzyklusarretierung beteiligt zu sein. Neben Interphase-assoziierten Alterationen induzierten T. gondii-Infektionen Defekte in allen Mitosephasen, wie z. B. Fehlkondensierung der Chromosomen und Bildung überzähliger Zentrosomen. Darüber hinaus zeigten alle verwendeten Zelltypen einen erhöhten Anteil an Doppelkernigkeit, was auf eine gestörte Zytokinese hinwies.
Da unterschiedliche T. gondii-Genotypen im Feld mit einer variierenden Pathogenität assoziiert sind, wurde weiterhin untersucht, ob Ausmaß oder Effekte der T. gondii-vermittelten Wirtszellzyklusdysregulierung haplotypabhängig sind. Dazu wurden die Effekte der T. gondii-Stämme Me49 (Haplotyp II) und NED (Haplotyp III) im direkten Vergleich mit dem RH-Stamm (Haplotyp I) in primären Wirtszellen unter identischen Bedingungen untersucht. In Übereinstimmung mit dem RH-Stamm induzierte sowohl der Me49- als auch der NED-Stamm eine Arretierung der Wirtszelle in der S-Phase, allerdings konnte nur für NED-Infektionen eine Verminderung des Zyklin B1 als wichtigen Regulator konstatiert werden. Darüber hinaus war die Mitoserate in NED-infizierten Zellen signifikant reduziert und es traten irreguläre Chromosomenanordnungen und -brücken in der Mitose auf. In Analogie zum RH-Stamm führten beide Stämme zu einem gesteigerten Anteil doppelkerniger Wirtszellen und somit ebenfalls zur Beeinträchtigung der Zytokinese. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Phänotyp erstmals für alle Haplotypen gleichermaßen beschrieben, so dass ein T. gondii-intrinsischer Mechanismus abgeleitet werden kann.
Chromosomenfehlverteilungen und Beeinträchtigungen der Zytokinese sind Schlüsselmerkmale der Chromosomeninstabilität, die meist mit DNA-Schäden in Zellen einhergeht. Tatsächlich induzierten in der vorliegenden Arbeit sowohl der RH- als auch die Me49- und NED-Stämme DNA-Doppelstrangbrüche in Wirtszellen, wobei RH-Infektionen die stärksten Schäden verursachten. Dies bestätigte sich auch für zytokinesedefekte, doppelkernige Wirtszellen nach Infektionen mit RH- und NED-Tachyzoiten. Interessanterweise wiesen NED-infizierte Zellen zudem ein erhöhtes Maß an Mikronuklei auf, was auf eine stammspezifische Beeinträchtigung der genomischen Stabilität von Wirtszellen hinweisen könnte.
Bei genotoxischem Stress aktivieren Zellen die sog. DNA Damage Response, um die Integrität des Genoms zu erhalten. Diese DNA-Reparaturmechanismen beinhalten die Aktivierung der Signalwege der homologous recombination (HR) oder des non-homologous end joining (NHEJ). Die hiesigen Untersuchungen bestätigten eine (RH) infektionsinduzierte Aktivierung des HR-Signalwegs in primären Wirtszellen, die mit einer Hochregulierung von im ATM-Stoffwechselweg eingebundenen Proteinen verbunden war, was typisch für DNA-Doppelstrangbrüche ist.
In einem letzten Arbeitspaket wurden die zellzyklus-assoziierte Analysen auf einen weiteren apikomplexen Parasiten, N. caninum, ausgedehnt, um eventuelle artspezifische Mechanismen herauszustellen. Tatsächlich führte die N. caninum-Infektion zu einer Stase des Zellzyklus in der späten S-Phase und zu einer Hochregulierung der Zykline A2 und B1 24 Stunden p. i. (ersteres war 32 Stunden p. i. wieder vermindert in seiner Expression), was Unregelmäßigkeiten im Zeitraum von S-Phase zum G2/M-Übergang bestätigte. Interessanterweise wurden bei dieser Infektion irreguläre Kernmorphologien, wie beispielsweise nukleäre Invaginationen, Abschnitte mit degradierter Kernmembran oder auch eine insgesamt verringerte Kernausdehnung beobachtet, was eine speziesspezifisch induzierte Alteration der Kernstruktur der Wirtszelle vermuten ließ. Weiterführende Analysen zum nukleären Protein Lamin B1 ergaben eine mit N. caninum-Infektion assoziierte, inhomogene Lamin B1-Verteilung, Kernfaltungen und -einstülpungen - Phänomene, die hier erstmals für Kokzidieninfektionen beschrieben wurden. Auch das perinukleäre Zytoskelett war verändert in infizierten Zellen, da bestimmte Aktinfilamente, die physiologischerweise an der Kernperipherie verankert sind und transversal über den Nukleus ziehen (sog. Actin cap), in infizierten Zellen fehlten. Insgesamt wurde ein vermindertes Gesamtvorkommen von Aktin in N. caninum-infizierten Zellen gemessen, was eine parasiteninduzierte Beeinträchtigung des perinukleären Aktinzytoskeletts mit nachfolgender Destabilisierung der Kernmembran und abnormen Formgebung des Kerns vermuten ließ. Da solche Beobachtungen nicht auf T. gondii-infizierte Zellen zutrafen, unterstreichen hiesige Daten eine artspezifische Modulation der Wirtszellen über Kokzidien.
Apicomplexan parasites are a large group of protists with an obligate intracellular lifestyle, impacting human and veterinary health worldwide. The Sarcocystidae family contains notable species like Toxoplasma gondii, a critical zoonotic pathogen, and Neospora caninum, cause of abortion in cattle and of neurological disorders in canid hosts. Although both parasites differ in their host specificity and in distinct aspects of their life cycle, they also share common characteristics in their sophisticated ability to modulate host cell functions. Here, we focused on molecular and cellular mechanisms involved in parasite infection-driven host cell cycle dysregulation.
T. gondii is well recognized to significantly affect host cell cycle progression, regardless of MOI, infection times and, importantly, the cellular model used in experimentation. While many former studies used immortalized or tumour cells, potentially exhibiting dysregulated cell cycling, current analyses addressed T. gondii infections in primary cells by analyzing different cell types (fibroblasts, endothelial and epithelial cells) and donor species (human, bovine). Here, we revealed a T. gondii-driven cell type- and origin-independent S-phase arrest. Notably, cyclin B1, a critical regulator of mitosis entry, remained unchanged across all cell types, indicating that mitosis checkpoint modulation is not involved in host cellular S-phase stasis. Beyond interphase effects, T. gondii infection led to aberrant mitosis in all mitotic subphases, characterized by chromosome miscondensation and supernumerary centrosome formation. Moreover, all cell types showed an increased proportion of binucleated phenotypes, indicating impaired cytokinesis, which also occurred independently of cell origin or type.
Given that different T. gondii genotypes show varying pathogenicity in the field, host cell cycle regulation may also be influenced by haplotypes. To explore this, different strain infections (Me49, NED) were comparatively analysed in primary host cells. In line with RH, Me49 and NED strains also induced host S-phase arrest. Further analyses on key regulatory proteins of S-phase control and M-phase enter revealed a cyclin B1 downregulation only for NED infections. Additionally, the mitotic rate was reduced by NED infections, concomitant with altered chromosome arrangement and irregular chromosome bridges within the mitotic spindle. Moreover, T. gondii Me49 and NED strains also led to an enhanced proportion of binucleated host cells, indicative of cytokinesis failure. Thereby, this cellular phenotype was here described for the first time for all haplotype infections, demonstrating cytokinesis impairment as intrinsic, haplotype-independent mechanism of T. gondii.
Chromosome missegregation and cytokinesis impairment are key features of chromosome instability being associated with DNA damage in cells. As determined in the current work, RH, Me49 and NED strains indeed all induced DNA double-strand breaks with the RH strain driving - by far - the most pronounced effects. Moreover, referring to cytokinesis failure, a significant proportion of both RH- and NED-infected binucleated host cells showed DNA damage foci. Interestingly, NED-infected cells exhibited an increased proportion of micronuclei, thereby highlighting parasite strain-specific insults on host cellular genomic stability.
Under genotoxic stress, cells activate the DNA damage response to maintain genome integrity. Repair mechanisms for this type of damage include the homologous recombination (HR) and non-homologous end joining (NHEJ) pathways, which were here profiled for RH strain infections. As expected, the HR pathway was activated by an upregulation of ATM pathway-related proteins, which classically are induced by DNA double-strand breaks.
Finally, current cell cycle-related analyses were extended to N. caninum infections in the same host cell type to elucidate eventual species-specific strategies. N. caninum caused late S-phase arrest concomitant with cyclin A2 and cyclin B1 upregulation at 24 h p. i. (followed by cyclin A2 decrease at 32 h), confirming irregularities from S- to G2/M transition-phase. Interestingly, irregular nuclear morphologies were observed in N. caninum-infected cells, illustrated as invaginations and stretches of nuclear membrane disintegration and quantified as smaller nuclear areas, indicating that the host cellular nuclear structure was affected by N. caninum. Further analyses on the nuclear protein lamin B1 revealed an increased proportion of cells with inhomogeneous lamin B1 patterns, several nuclear folding and invaginations, phenomena reported for the first time for coccidian infections. Moreover, the perinuclear area was altered since actin filaments normally being anchored to the nuclear periphery and transversing the nucleus (actin cap) were absent in infected cells alongside with a decreased total cellular actin abundance, highlighting that N. caninum infection indeed interferes with the host actin cytoskeleton leading to nuclear membrane destabilization and abnormal shaping. Overall, these findings contrast with alterations induced by different T. gondii strains, emphasizing species-specific events in host cell modulation.
| Erscheinungsdatum | 19.06.2025 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Edition Scientifique |
| Verlagsort | Gießen |
| Sprache | englisch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 300 g |
| Themenwelt | Veterinärmedizin ► Allgemein |
| Schlagworte | Apicomplexan host cell cycle modulation • Chromosome instability and DNA damage • DNA-Schäden und homologe Rekombination • Haplotyp-abhängige Wirtszellantwort • Homologous recombination pathway activation • Neospora caninum nuclear remodeling • Parasite strain-specific effects on cytokinesis • Toxoplasma gondii-induced S-phase arrest • Zellkern- und Zytoskelettveränderungen bei Parasiteninfektion • Zellzyklusmodulation durch Apikomplexa |
| ISBN-10 | 3-8359-7225-1 / 3835972251 |
| ISBN-13 | 978-3-8359-7225-4 / 9783835972254 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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