The Gram-negative bacterium Photorhabdus luminescens is a pathogen of insects. It is able to secrete a variety of toxins and effectors against its host in order to escape its immune defences. The model insect Manduca sexta is able to mount a variety of humoral and cellular responses against pathogen attack. Ultimately these prove ineffective against P. luminescens. The pre-treatment of M. sexta with Escherichia coli provides protection against the pathogenesis of P. luminescens. Here, I use RNA interference and Fluorescence-assisted cell sorting techniques to investigate interactions between pathogen and host to further elucidate the roles of various host factors in mounting the immune response. I also investigate the nutrient requirements of the bacteria for pathogenesis. I show data that peptidoglycan recognition protein (PGRP) is essential for the up-regulation of antimicrobial peptides, an important immune defence. I also show that P. luminescens has a requirement for two types of iron during pathogenesis of M. sexta. And lastly I show that P. luminescens is able to avoid phagocytosis, another important immune defence.

L'hyménoptère Cotesia congregata (Microgastrinae ; Braconidae) pond ses oeufs à l'intérieur de son hôte, la chenille du lépidoptère Manduca sexta (Noctuidae ; Sphingidae) et introduit des particules virales de bracovirus contenant 30 cercles d'ADN double brin. Les gènes viraux portés par ces cercles codent pour une série de protéines qui sont produites dans les tissus de la chenille parasitée. Ces protéines virales jouent un rôle indispensable à la réussite parasitaire. En effet, l'expression des gènes viraux entraîne de nombreuses altérations de la physiologie de l'hôte, notamment un contournement de l'immunité de la chenille qui permet le développement des larves du parasite. D'autre part, le développement de l'hôte est bloqué à un stade pré-pupal. Les travaux portant sur la caractérisation des génomes de bracovirus ont beaucoup progressé et plusieurs familles de gènes ont été découvertes. Une synthèse des connaissances actuelles sur l'immunité des insectes et les gènes de bracovirus potentiellement impliqués dans le contrôle de l'immunité et du développement des lépidoptères est présentée en introduction.<br />Au cours de ma thèse, le séquençage et l'analyse du génome du bracovirus de Cotesia congregata ont été réalisés (Espagne et al 2004). L'existence de plusieurs familles multigéniques a été mise en évidence, notamment la famille des protéines tyrosines phosphatases (PTP) composée de 27 gènes (Provost et al 2004), la famille des cystatines composée de 3 gènes (Espagne et al soumis) et enfin celle des protéines à motif ankyrine composée de 6 gènes (Pennacchio et al en préparation). La caractérisation détaillée de la famille des PTP a été effectuée. La technique d'électrophorèse en champs inversés (FIGE) a permis la localisation physique de ces gènes sur l'ensemble du génome viral, et leur expression a été analysée dans une série de tissus de l'hôte parasité grâce à une méthode de PCR multiplex. Enfin, des tests d'activité biochimique de PTP de bracovirus produites in vitro grâce à un système d'expression en baculovirus.<br />Les gènes des familles décrites sont exprimés dans l'hôte parasité et les protéines possèdent, en général, la fonction biochimique prédite grâce aux domaines conservés qu'elles contiennent. Ceci suggère que ces protéines virales jouent un rôle actif dans les modifications de la physiologie de l'hôte induite par le parasitisme. La caractérisation des gènes viraux exprimés dans l'hôte est une étape indispensable vers l'identification du rôle individuel de chaque protéine dans le contrôle de la physiologie des chenilles parasitées.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Doctor of Philosophy / Department of Biochemistry / Karl J. Kramer / Subbarat Muthukrishnan / Chitin, a linear homopolymer of beta-1,4-linked N-acetylglucosamine, is the second most abundant biopolymer next to cellulose. It is the major structural polysaccharide in the insect’s exoskeleton and gut lining. An extensive study of two of the major genes encoding enzymes involved in chitin metabolism, chitin synthases (CHSs) and beta-N-acetylglucosaminidases (NAGs), was undertaken. CHS genes from the tobacco hornworm, Manduca sexta, and NAG genes from the red flour beetle, Tribolium castaneum, were identified and characterized. In general, chitin deposition occurs in two major extracellular structures of insects, the cuticle that overlays the epidermis, and the peritrophic membrane (PM) that lines the midgut. Only two CHS genes were identified in M. sexta using Southern blot analysis. Extensive expression studies of both M. sexta CHS genes, MsCHS1 and MsCHS2, suggest a strict functional specialization of these two genes for the synthesis of epidermal and PM-associated chitin, respectively. Furthermore, two alternatively spliced transcripts of MsCHS1, MsCHS1a and MsCHS1b, were identified. Analysis of the levels of these transcripts in different tissues and stages of development indicated that the MsCHS1a transcript predominates in the integument during the feeding and pupal stages, whereas the MsCHS1b transcript is more abundantly present in the tracheae, foregut, and hindgut during all developmental stages tested. Four genes encoding putative NAGs (TcNAG1, TcNAG2, TcNAG3, and TcNAG4) were identified by searching the Tribolium genomic database. The full-length cDNAs for all four NAGs were cloned and sequenced, and the exon-intron organizations were determined. Studies on developmental expression patterns of each gene indicated that they are expressed during most developmental stages with TcNAG1 being the predominant one. The function of each NAG was assessed by down regulating the level of each transcript at various developmental stages using RNA interference. Selective knock down of each transcript, without significant reduction in the expression levels of the other NAG transcripts, was verified and the resulting phenotypes were documented. Knockdown of TcNAG1 interrupted larval-larval, larval-pupal, and pupal-adult molting, and the insects were unable to completely shed their old cuticles.

Doctor of Philosophy / Department of Entomology / Michael R. Kanost / James R. Nechols / Cellular encapsulation is the immune response in which insects protect themselves from multicellular parasites such as nematodes or parasitoids. During an encapsulation episode, certain insect hemocytes become attracted to a foreign invader and aggregate on its surface. In short order, the invading entity will become entrapped within a capsule comprised of thousands of hemocytes, thus rendering the parasite harmless to the insect host. Although the process of cellular encapsulation has been known for a great many years, very little knowledge yet exists regarding the biochemistry underlying capsule formation. It would seem likely that cell surface adhesion proteins mediate this immune response. In a series of in vivo encapsulation assays in the tobacco hornworm, Manduca sexta, a collection of anti-hemocyte monoclonal antibodies (mAbs) was screened for their ability to inhibit cellular encapsulation. Two of the mAbs that inhibited this immune response and incidentally specifically bind plasmatocytes, MS13 and MS34, were used to isolate a ≈ 90 kDa protein. Several short peptide sequences contained within this protein were acquired via Edman degradation. Degenerate primers based on two of these peptide sequences and total RNA from M. sexta hemocytes were used to perform RT-PCR and 5´ and 3´ RACE. This resulted in a full-length cDNA sequence of 2426 bp. A 2301 bp open reading frame within this cDNA sequence codes for a protein of 767 residues. This protein, denominated [Beta]Ms1, exhibits significant sequence homology to the [Beta]-subunits of integrins, which are a family of transmembrane, heterodimeric glycoproteins that possess adhesive properties. Analysis of recombinant segments of [Beta]Ms1 showed that the protein produced from the PCR product is the antigen to MS13 and MS34 and that these mAbs bind to the region of the integrin that contains the extracellular binding site. Northern blot analysis of various M. sexta tissues together with immunofluorescence labeling with MS13 and MS34 shows that [Beta]Ms1 is solely expressed in plasmatocytes. The totality of these experiments demonstrates that integrins are essential for the cellular immune response of encapsulation.

Doctor of Philosophy / Department of Biochemistry / Michael R. Kanost / Manduca sexta is a large insect species well-suited for biochemical analysis of proteins in the hemolymph (blood) that respond to infection. Insects lack adaptive immunity and rely entirely on innate immunity to prevent and manage infection. Immune response proteins include proteins that bind pathogens and activate serine proteases, which function in proteolytic cascades that trigger effector responses, such as antimicrobial peptide production and prophenoloxidase activation. Phenoloxidase catalyzes melanin synthesis, which leads to microbial killing. I used MALDI-TOF/TOF mass spectrometry and immunoblotting to identify M. sexta proteins present in putative immune complexes. From analyses of high molecular weight gel filtration fractions of plasma activated by microbial polysaccharides, I detected hemocytin, prophenoloxidase, and cleaved serine protease homologs, suggesting prophenoloxidase and serine protease homologs form large complexes in plasma. I used in vitro bacterial binding assays to identify hemolymph proteins that bind either directly or indirectly to the surface of bacteria or curdlan. Prophenoloxidase, annexin IX, and hemocyte aggregation inhibitor protein were found bound to all the samples tested, indicating they play a role in the early stage of immune response. Serpins regulate specific active proteases by covalently binding and forming serpin-protease complexes. Serpin-1, an abundant plasma protein, has an alternatively spliced ninth exon encoding 12 serpin-1 isoforms that differ in inhibitory selectivity. RT-PCR showed that all 12 isoforms are expressed in hemocytes, fat body, and midgut. Comparisons of naïve and immune-challenged hemocytes and fat body indicated the immune-related upregulation of serpin-1A but not the other isoforms. Using immunoaffinity chromatography I isolated two serpin-1-protease complexes from plasma after activation with bacterial lipopolysaccharide. MALDI-TOF/TOF analysis of these serpin-1-protease complexes identified the digestive enzyme chymotrypsin as a specific target of serpin-1K. Nine out of the twelve serpin-1 isoforms were identified from control plasma at the protein level using 2D-PAGE. Serpin-1 protease complexes were identified by 2D-PAGE analysis: serpin-1A, E and J were found to be complexed with hemolymph proteinase-8 and an unidentified isoform of serpin-1 was complexed with hemolymph proteinase-1. Discovering the serpin-1 isoforms that inhibit specific proteases enhances our understanding of the regulation of proteolytic cascades in M. sexta.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Struktur, Funktion und Regulation der Plasmamembran V-ATPase von Manduca sexta. Die V-ATPase im larvalen Mitteldarm des Tabakschwärmers Manduca sexta energetisiert die gesamten sekundär aktiven Transportprozesse in diesem Epithel. Sie ist einer der best untersuchten Vertreter dieser Klasse von Ionentransport-ATPasen und hat sich als ideales Objekt für die Untersuchung von Struktur, Funktion und Regulation dieser Proteinfamilie erwiesen. In der vorliegenden Dissertation wurde die Struktur des V1Vo Holoenzyms, des V1 Komplexes und des Vo Komplexes, die Regulation der V-ATPase-Aktivität und die Hemmung der V-ATPase durch Makrolide untersucht. Mit der Modifikation von bestehenden und der Etablierung von neuen Protokollen gelang es das V1Vo Holoenzym, den V1 Komplex und den Vo Komplex in Milligramm-Mengen zu reinigen und damit die Vorraussetzung für neue Erkenntnisse über die Struktur der V-ATPase zu schaffen. Durch N-terminale Sequenzierung, Immunfärbung und/oder MALDI-MS konnten neben den bereits bei M. sexta bekannten Untereinheiten A, B, E, F, G, c und d auch die restlichen Untereinheiten C, D, H, a und e identifiziert werden. Das als Kontamination der V-ATPase häufig auftauchende Protein B´ wurde als ein mitochondriales Hsp60 identifiziert. Bei dem sowohl im Holoenzym als auch im Vo Komplex vorhandenen 26 kDa großen Protein handelt es sich sehr wahrscheinlich um ein Dimer der Untereinheit c und nicht, wie bislang vermutet um deren Isoform c´´. Für die im V1 Komplex nur substöchiometrisch vorhandene Untereinheit C konnte gezeigt werden, dass sie im Gegensatz zur Situation beim V1Vo Holoenzym nur sehr schwach gebunden ist. Sie lässt sich schon unter relativ milden Bedingungen (0,01% C12E10) vom V1 Komplex abtrennen, reassoziiert aber andererseits auch sehr leicht wieder an den V1 Komplex, wie mit einer rekombinanten Untereinheit gezeigt werden konnte. Durch die Behandlung des V1 Komplexes mit chaotropen Ionen ergaben sich Hinweise, die eher auf die Untereinheit D als auf die Untereinheit E als Homolog der V-ATPasen zur g -Untereinheit der F-ATPasen schließen lassen. Durch die Erhöhung der Ionenstärke während eines Reinigungsschrittes gelang es erstmals, die Untereinheit a bei einer Insekten V-ATPase darzustellen. Dies gelang sowohl für das V1Vo Holoenzym als auch für den Vo Komplex und war besonders wichtig, da die Untereinheit als der Favorit für die Bindung der V-ATPase spezifischen inhibitorischen Plecomakrolide angesehen wurde. Wie sich allerdings herausstellte, ist die Untereinheit c des Vo Komplexes die einzige Untereinheit die durch das semisynthetische Concanamycin-Derivat, 9-O-[p-(Trifluoroethyldiazirinyl)-benzoyl]-21,23-dideoxy-23-epi-[125I]Iodo-concanolid A (J-Concanolid A) spezifisch markiert wird. Durch MALDI-MS konnten einige Bereiche der Untereinheit c bestimmt werden, die potentiell mit der Sonde interagieren. Diese Abschnitte befinden sich alle auf der luminalen Seite der Membran. Beim Testen einer Reihe neuer Makrolide zeigte sich erstaunlicherweise, dass Salicylihalamid, Apikularen und Archazolid ähnlich wie Concanamycin A, Bafilomycin A1 und B1, mit einem IC50 von ca. 20 nM die V-ATPase schon bei sehr niedrigen Konzentrationen hemmen. Das ebenfalls getestete Cruentaren lag mit einem IC50 von 60 µM hingegen deutlich höher. Neben Concanamycin und den Bafilomycinen ist auch Archazolid in der Lage, die Markierung durch J-Concanolid A zu unterbinden, was auf eine gemeinsame Bindestelle dieser drei Makrolide hinweist. Die Untersuchung der Enzymaktivität der V-ATPase zeigte zum einen eine deutliche Endprodukthemmung durch das entstehende ADP und zum anderen dass Mg2+ nicht durch Ca2+ zu ersetzten ist, da Ca2+-ATP im Gegensatz zu Mg2+-ATP keinen Protonentransport unterstützt. Für den Mechanismus der Dissoziation des V1Vo Holoenzyms in seinen V1 und Vo Komplex scheinen Nukleotide von entscheidender Bedeutung zu sein. Während das V1Vo Holoenzym praktisch nukleotidfrei ist, sind im abdissoziierten V1 Komplex ein bis zwei Moleküle ADP enthalten. Die Bindung von ADP oder AMP-PNP an das Holoenzym bewirkt keine Dissoziation der V-ATPase. Allerdings genügt bereits die Hydrolyse von nur einem Molekül Mg2+-ATP pro Enzym, um eine Dissoziation zu induzieren. Aus diesem Befund kann geschlossen werden, dass die V-ATPase während der Hydrolyse einen Konformationszustand durchläuft, in dem sie instabil ist und zur Dissoziation neigt.

Topologie und Regulation der Manduca sexta V-ATPase Die V-ATPase im Mitteldarm der Tabakschwärmerraupen von Manduca sexta besteht aus zwölf Untereinheiten, von denen vier den membranständigen Vo- und acht den cytosolischen V1-Komplex bilden. Das Enzym energetisiert unter ATP-Verbrauch eine Protonentranslokation über die Gobletzellapikalmembran, wobei eine Potentialdifferenz von etwa 250 mV aufgebaut wird. Durch diese Spannung wird ein elektrogener K+/2H+-Antiport getrieben und indirekt ein K+/Aminosäure-Symport, wodurch die Nährstoffversorgung der Raupen gesichert wird. Da die V-ATPase sehr viel ATP verbraucht, erscheint es ökonomisch, diese in Hungerperioden durch die Dissoziation des Enzyms in den cytosolische V1- und den Vo-Komplex, abzuschalten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob auch die Biosynthese der V-ATPase Untereinheiten in Hungerperioden reduziert wird und was eventuellen Änderungen von Transkriptionsraten zugrunde liegt. Mit Ausnahme der Untereinheit D waren die Transkriptmengen aller V-ATPase Untereinheiten in Hungerperioden erniedrigt. Am stärksten betraf dies die Untereinheit G, was auch für den Anstieg der Transkriptmengen nach erneuter Futterzufuhr galt. Da Hungerperioden auch in der Entwicklung von Raupen während der Häutungen vorkommen, wurde exemplarisch die Biosynthese von drei, die verschiedenen Bereiche der V-ATPase (V1-Kopf: Untereinheit B, V1-Stiel: Untereinheit G, Vo-Komplex: Untereinheit d) repräsentierenden Untereinheiten, untersucht. In allen drei Fällen konnte eine Reduktion der Transkriptmengen in der Mitte der Häutungsphase festgestellt werden, welche zu ihrem Ende hin wieder aufgehoben wurde. Der Abfall und Anstieg der mRNA-Mengen korrelierte mit den Titern der beiden Häutungshormone der Insekten: negativ mit dem Titer des Ecdysons und positiv mit dem des Juvenilhormons. Die Injektion von 20-Hydroxyecdyson in fressende Raupen hatte die Reduktion der Transkriptmengen zur Folge, während Juvenilhormon III fast keinen Einfluss ausübte. Darüberhinaus war zu beobachten, dass sich nach Injektion von 20-Hydroxyecdyson die V1-Komplexe von den apikalen Gobletzellmembranen ablösten. Um auch den Einfluss der Häutungshormone auf die Promotoraktivität zu untersuchen, und dadurch auf Unterschiede in der RNA-Stabilität zu schließen, wurden ca. 1 kb lange 5`-Bereiche stromaufwärts vom Startcodon der drei verwendeten Gene mvB, mvG und mvd in Reportergenassays getestet. Hierbei wurde als Reportergen eine Luciferase verwendet, die unter der Kontrolle der jeweiligen 5`-Region der V-ATPase Untereinheit stand. Nach Transfektion von Sf21-Zellen konnte wie auch in den vorangegangenen Experimenten gezeigt werden, dass 20-Hydroxyecdyson die Promotoraktivität aller drei V-ATPase-Gene nach einem kurzzeitigen Anstieg bei den Genen mvB und mvG über einen längeren Zeitraum negativ beeinflusst und nach 48 h zu einer Reduktion auf 30-50% gegenüber der Kontrolle führt.Im Gegensatz dazu führte die Anwesenheit von Juvenilhormon III zur Aktivitätssteigerung von mvG um den Faktor 3, während die Aktivität der anderen 5`-Bereiche nicht signifikant verändert wurde.Zusammen mit den Daten der Transkriptmengen unter Juvenilhormon III Einfluss könnte dies der erste Hinweis auf eine reduzierte Stabilität der mRNA der Untereinheit G sein. Des Weiteren wurde in der vorliegenden Arbeit die Nukleotidsequenz der bei der Insekten V-ATPase lange Zeit nicht nachweisbaren Untereinheit a des Vo-Komplexes aufgeklärt. Neben einer ubiquitär vorkommenden Isoform konnte auch eine Teilsequenz einer Malpighigefäß spezifischen Isoform nachgewiesen werden. Antikörper gegen den in dieser Arbeit exprimierten cytoplasmatischen N-Terminus wurden eingesetzt, um die Untereinheit in der Immunhistochemie sowie in den gebildeten Komplexen der Vernetzungsexperimente nachzuweisen. Die durch Kupfer(II)-chlorid induzierte Vernetzung von Cysteinresten der Untereinheiten des V1Vo-Holoenzyms führte zu der Identifizierung von drei Banden, wobei diese wahrscheinlich aus verschiedenen Subkomplexen der Untereinheiten a, A, B, C, E und G aufgebaut waren. Durch diese Ergebnisse und den Daten aus dem Verdau des V1Vo-Holoenzyms mit Trypsin konnte ein neues Modell der V-ATPase erstellt werden, dass sich erheblich von den bisherigen Modellen unterscheidet, insbesondere in der Lokalisation der Untereinheiten des Stators.

In dieser Arbeit wurde die Chitinsynthase von Manduca sexta untersucht. Wie alle Insekten besitzt Manduca zwei Chitinsynthase-Gene, die als MsCHS-1 und MsCHS-2 bezeichnet werden. Mittels Northern-Blots konnte gezeigt werden, dass MsCHS-1 in den ektodermalen Zellen der Epidermis und der Tracheen exprimiert wird, während MsCHS-2 ausschließlich in den entodermalen Zellen des Mitteldarms exprimiert wird. Die Untersuchung der entwicklungsabhängigen Regulation der Chitinsynthase zeigte, dass MsCHS-1 nur in den Häutungsstadien exprimiert wird, einer Phase, bei der es zur Synthese der neuen Kutikula sowie zum Wachstum der Tracheen kommt. MsCHS-2 wird hingegen nur in den Zwischenhäutungsstadien exprimiert, einer Phase, die mit der Synthese der Chitin-haltigen peritrophischen Matrix einhergeht. Die Chitinsynthese des Mitteldarms wird vermutlich vornehmlich auf transkriptioneller Ebene reguliert, da während der larvalen Entwicklung die Mengen an Chitinsynthase-mRNA und -Protein, als auch die Aktivität der Chitinsynthase weitgehend korrelieren. Diskrepanzen zwischen den getesteten Parametern weisen auf zusätzliche, posttranslationale Regulationsmechanismen hin. Bei der Analyse der Trypsin-vermittelten Aktivierung der Manduca Mitteldarm-Chitinsynthese wurde deutlich, dass die Chitinsynthase nicht direkt durch Trypsin aktiviert wird, sondern dass ein löslicher Faktor prozessiert wird, der die Chitinsynthese stimuliert. Möglicherweise handelt es sich dabei um eine Chymotrysin-ähnliche Protease, wie andere Untersuchungen des Labors gezeigt haben. Die Etablierung eines Chitinsynthase-Aktivitäts-Assays sowie eines Reinigungsprotokolls ermöglichte es die Chitinsynthase aus dem Mitteldarm zu isolieren. Das Enzym konnte dabei als aktiver, trimerer Komplex gereinigt wurde. Dieser bestand aus fünf Proteinen, bei denen es sich um Fragmente der Chitinsynthase handelt, die wahrscheinlich durch proteolytische Prozessierung entstehen.