Linking a highly efficient immune response mounted by multinucleated giant hemocytes with a complex genomic analysis of invasive Drosophila species  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128762
Type K
Principal investigator Cinege, Gyöngyi Ilona
Title in Hungarian A sokmagvú óriás vérsejtek által kifejtett hatékony immunválasz komplex genomikai analízise invazív Drosophila fajokban
Title in English Linking a highly efficient immune response mounted by multinucleated giant hemocytes with a complex genomic analysis of invasive Drosophila species
Keywords in Hungarian Drosophila, invazív fajok, immunitás, hemociták, transzkriptom analízis, genomikai analízis
Keywords in English Drosophila, invasive species, immunity, hemocytes, transcriptome analysis, genomic analysis
Discipline
Immunology (Council of Medical and Biological Sciences)100 %
Ortelius classification: Immunology
Panel Immunity, Cancer and Microbiology
Department or equivalent Institute of Genetics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Andó, István
Kovács, Attila Lajos
Kurucz, Judit Éva
Magyar, Lilla
Starting date 2018-09-01
Closing date 2022-05-31
Funding (in million HUF) 36.000
FTE (full time equivalent) 5.33
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett projekt célkitűzése, hogy olyan faktorokat azonosítsunk, melyek a veleszületett immunitás sejtes immunválaszában döntő szerepet töltenek be, a szervezetbe került idegen anyagok elleni hatékony védekezésben. Kísérleteinket olyan Drosophila fajokon végeznénk, melyek sokmagvú óriás vérsejtekkel védekeznek a nagyméretű betolakodók ellen. Előzetes eredményeink alapján megfigyeltük, hogy az ananassae alcsoportba tartozó fajokban a sokmagvú óriás sejtek, a lamellocitákkal védekező fajokkal szemben, rendkívűl hatékony módon képesek elpusztítani a parazitoid darazsakat. Kísérleteink részben egysejtes transzkriptóm analízisen alapulnak. Eredményeink magyarázattal szolgálnának az invazív Z. indianus sikeres sejtes immunválaszának a működésére, valamint az ortológ fehérjék a gerinces granulómákban szerepet játszó sokmagvú óriás sejtek funkciójának a megismeréséhez járulnának hozzá. Előző eredményeinkre építve a következőket tűztük ki célul:
i) vérsejt specifikus molekulák azonosítása és jellemzése
ii) vérsejt populációk, valamint vérsejtképző kompartmentumok szerepének meghatározása Z. indianus-ban
iii) vérsejtek szerkezetének elektron mikroszkópos analízise
iv) Z. indianus vérsejtek transzkriptom analízise, a sokmagvú óriás sejtek szerkezetében és működésében feltételezett szerepet játszó molekulák kiválasztása in silico analízissel
v) rekombináns fehérjék előállítása további vizsgálatok céljából, valamint immunológiai reagensek létrehozása
vi) sokmagvú óriás sejt specifikus fehérjék összehasonlítása D. ananassae, Z. indianus és gerincesekben

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Vizsgálataink során fény derülhet egy hatékony sejtes immunválasz molekuláris alapjaira. Kutatócsoportunkban elsőként azonosítottuk a sokmagvú óriás vérsejteket a Drosophila génusz ananassae alcsoportjába tartozó fajokban. Megfigyeltük, hogy e fajok parazitoid darazsak elleni immunválasza rendkívül hatékony, a lamellocitákkal védekező Drosophila melanogaster-hez képest. A sokmagvú óriás sejteket megfigyeltük, egy olyan filogenetikailag távolabb levő Drosophila fajban, a Zaprionus indianus-ban, is mely gyors és hatékony elterjedése miatt mérhetetlen gazdasági károkat okoz. Kutatásunk egyik alapkérdése a Z. indianus sejt közvetítette immunválaszának a megismerése. Továbbá tisztázni szeretnénk a sokmagvú óriás vérsejtek működésének alapjait, a parazitoid darazsak elleni hatékony védekezésben alkalmazott mechanizmust. Kísérleteink során egy sejtes transzkriptom analízisből kapott eredményekre alapozva, kívánunk sokmagvú óriás sejtek működésében résztvevő faktorokat azonosítani. Másrészt pedig a kutatócsoportunkban előállított vérsejt specifikus ellenanyagok használatával kívánunk, a hatékony védekezésben szerepet játszó fehérjéket meghatározni. Azt feltételezzük, hogy vizsgálataink során olyan molekulákat, illetve folyamatokat ismerhetünk meg, melyek effektíven képesek elpusztítani a szervezetbe került betolakodókat. Amennyiben a Drosophilá-ban azonosított fehérjék ortológjai megtalálhatóak gerincesekben, eredményeink evolúciós vonatkozásban is fontosságot nyernek, ugyanis a gerinces granulómákban is azonosítottak sokmagvú óriás sejteket.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett projekt keretében végzett kutatás jelentősége, a veleszületett immunvédekezés sejtes válaszának a közelebbi megismerése. Kísérleteinket Drosophila modellszervezeteken tervezzük végezni. Vizsgálataink során elsősorban a sokmagvú óriás vérsejtek parazitoid darazsak elleni hatékony védekezésének a mechanizmusára kívánunk fényt deríteni. Egyes kártevő Drosophila fajok, mint például a Zaprionus indianus, ahol szintén megfigyeltük a sokmagvú óriás vérsejtek jelenlétét, rendkívül gyors és hatékony módon képesek új területekre kiterjedni, ahol hatalmas gazdasági károkat okoznak. A parazitoid darázs fajok biokontroll ágensként használhatóak az invazív fajok terjedésének visszafogására, azonban a sokmagvú óriás vérsejtek nagyon hatékony védelmet nyújtanak a parazitoid darazsak petéi ellen, mely egyik fontos oka lehet e faj gyors és effektív elterjedésének. Eredményeink, a Z. indianus sejt közvetítette immunválaszának a megismerése kapcsán, hasznos információkkal szolgálhatnak a társadalomnak e faj nagy egyedszámú elterjedése elleni védekezésben. Vizsgálataink nagyrészt egysejtes transzkriptom analízisből kapott eredményekre alapulnak. Kutatócsoportunk kiemelt erőssége, hogy különböző Drosophila fajokban vérsejt specifikus monoklónális ellenanyagokat képes előállítani, melyeket a közlést követően a világ minden részén használnak. Tervezett vizsgálatainkaban újonnan kifejlesztett sokmagvú óriás vérsejt specifikus monoklónális ellenanyagok is szerepelnek, melyek specifikus antigénjeit immunoprecipitációval kívánjuk azonosítani. Továbbá, kísérleti eredményeink evolúciós vonatkozásban is hasznos információkkal szolgálhatnak, ugyanis a gerincesekben képződő granulomákban is leírtak sokmagvú óriás sejteket, melyek a makrofágok és monociták fúziójából jönnek létre és a szervezetbe került idegen anyagok elhatárolásában játszanak szerepet. A Drosophila fajokban azonosított faktorok ortológjai nagy eséllyel előfordulhatnak gerincesekben is, ezáltal eredményeink hozzájárulhatnak a granulómaképződés jobb megértéséhez és gyógyító kezeléséhez.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az immunrendszerünk működésében fellépő zavarok számos betegséget vonnak maguk után. Ahhoz, hogy az egyes immunfolyamatok esetében, az egészség érdekében, gyógyászatilag sikeresen be lehessen avatkozni fontos, hogy megismerjük az adott folyamat molekuláris alapjait és megértsük annak működését. Az élővilágban az immunvédekezési folyamatok alapjai nagyon hasonlóak a különböző fajokban. A tervezett projekt keretén belül, kísérleteinket Drosophila modellszervezeteken végezzük, olyan fajokon, melyek sokmagvú óriás vérsejtek létrehozásával nagyon hatékonyan védekeznek a szervezetükbe került nagyobb méretű betolakodók, a parazitoid darazsak ellen. Vizsgálataink elsősorban magyarázatot adnának a sokmagvú óriás vérsejtek létrejöttének és működésének a megértésére. Az azonosított Drosophila fehérjék megfelelőit leírnánk gerinces fajokban is. A gerincesekben egyes típusú granulómák képződésekor, szintén sokmagvú óriás sejtek jönnek létre. Az általunk azonosított molekulák segítséget nyújthatnak a granuloma képződéssel járó kóros folyamatok gyógykezelésében. Továbbá sokmagvú óriás vérsejteket találtunk egy olyan invazív Drosophila fajban, a Zaprionus indianus-ban, mely napjainkban a gyümölcs és zöldségtermesztésben óriási gazdasági károkat okoz világszerte. Az elmúlt év tízedekben nagyon gyors terjedése miatt az Amerikai kontinensen okozott hatalmas károkat, azonban tavalyi közlemények alapján Afrika irányából terjedve, már Európát is veszélyezteti a faj jelenléte. Eredményeink fényt derítenének a Z. indianus sejtes immunválasz alapjainak a megértésére, ezennel megoldást nyújthatnának a faj elleni védekezésben.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of the proposed project is to identify key factors of the cell mediated immunity, involving multinucleated giant hemocytes, with role in a highly efficient response against the multicellular invaders. The proposed experiments will be partly based on data obtained from single cell transcriptome analysis. We plan to carry out detailed analysis of the proteins encoded by genes expressed exclusively in the multinucleated giant hemocytes. Our results would serve to better understand the highly efficient cell mediated immunity of the invasive species Z. indianus, which is one of the most important points to give rise for fast spreading of this species. Moreover vertebrate orthologs of the identified proteins might explain the gaps in the function of multinucleated giant cells in granulomas. We propose a project with the following aims:
i) identification and molecular characterization of cell type specific molecules
ii) characterization of the blood cells and hematopoietic compartments in Z. indianus
iii) analysis of the hemocyte ultrastructure by electron microscopy
iv) transcriptome analysis of Z. indianus hemocytes with special emphasis on MGHs and selection of putative structural and functional molecules by in silico analysis
v) generation of recombinant proteins for further studies and development of immunological reagents for immunochemistry and functional assays
vi) comparative in silico analysis of the multinucleated cell specific transcriptomes of D. ananassae, Z. indianus and vertebrates

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our experiments would elucidate the molecular basis of a highly effective cellular immune response. In our laboratory we identified a novel blood cell type, the multinucleated giant hemocytes (MGH) present in the species of the ananassae subgroup of Drosophila genus. We observed that these species present a highly effective defense against the parasitoid wasps compared to that generated with the lamellocytes of Drosophila melanogaster. Moreover we observed that presence of the MGH is a more general phenomenon, as we also detected these cells in a phylogenetically more distant Drosophila species, the invasive Zaprionus indianus. This species is rapidly spreading and causes extreme economic damages all over the world. We are much interested in the cell mediated immunity of Z. indianus. Moreover we plan to elucidate the basic functional mechanisms generated by the MGH to kill the parasites. During our experiments, based on the data obtained from single cell transcriptome analysis, and also using the MGH specific monoclonal antibodies, we will identify factors having role in the development and function of the MGHs. The orthologues of the identified Drosophila proteins will be also analyzed in vertebrates, hence the results can give an evolutionary aspect to the work, as multinucleated giant cells were detected in granulomas.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The significance of the proposed project is to get more information about the cell mediated innate immune response. Our experiments will be done on Drosophila model organisms. We will mainly focus on the analysis of the multinucleated giant hemocytes (MGH), which provide highly effective protection against parasitoid wasps. These cells were first described in our laboratory, in the species of the ananassae subgroup. Recently we observed that multinucleated giant hemocytes are also present in an extremely invasive species, the Zaprionus indianus, which causes huge economic damage all over the world. The parasitoid wasps can be used as biocontrol agents to block invasions of insect species. The successful protection of Z. indianus from the parasitoid wasps, can give rise for fast spreading of this species. The obtained results, concerning the cell mediated immune responses of Z. indianus, can provide useful information for the society to help in blocking the species spreading. Our experiments will mostly be based on data obtained from single cell transcriptome analysis. One of the most important strength of our laboratory is that we can generate blood cell specific monoclonal antibodies in different Drosophila species. These antibodies, following the publications, are used in many laboratories all over the world. In the framework of the proposed project we will use novel, recently developed MGH specific monoclonal antibodies, to immunoprecipitate the respective MGH specific antigen molecules. Moreover our experiments will also give rise to evolutionary aspects, as in the granulomatous inflammations of vertebrates multinucleated giant cells are present, developing from the fusion of macrophages and monocytes. The vertebrate orthologs of the identified MGH specific Drosophila proteins can elucidate the function of these cells in granulomas and might help in therapeutic relation.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The functional disorders of the immune system cause several pathological problems. For successful therapeutic interventions, in order to maintain the health, it is required to understand the detailed molecular basis of the respective immunological mechanism. These processes are very much conserved from Drosophila to vertebrates. In the framework of the proposed project we plan to carry out experiments on Drosophila model organisms, which use multinucleated giant hemocytes to protect very effectively the organism from the multicellular pathogens, the parasitoid wasp eggs. Our results would elucidate the molecular basis of the multinucleated giant hemocyte mediated immunity. The respective molecules will be also determined in vertebrate species. As in granulomatous inflammations of vertebrates multinucleated giant cells are also present, our studies might help in therapeutic treatments of the granuloma linked diseases. Moreover we found that the highly invasive Z. indianus also uses multinucleated giant hemocytes to protect the organism from parasitoid wasps. This Drosophila species uses a large variety of fruits and vegetables as sites for oviposition and recently causes extreme economic damages all over the world. Last decades its fast spreading over the American continent caused huge problems for the public. In 2017 its presence was reported from France, hence all Europe is affected by the invasion raised from the African continent. Our results would elucidate the molecular basis of the cell mediated immunity in Z. indinaus, which could help in blocking the spreading of this species.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A sokmagvú óriás vérsejtek közreműködésével létrejött rendkívül hatékony immunválasz folyamatainak molekuláris hátterét azonosítottuk. Immuno-elektronmikroszkópos vizsgálataink során megfigyeltük, hogy a sokmagvú óriás vérsejtek egyedi ultraszerkezettel rendelkeznek, a plazmamembrán és a sejtszervecskék egyedi, erre a sejttípusra jellemző elrendeződést mutatnak. Molekuláris és bioinformatikai vizsgálataink során olyan géneket, gén családokat és jellegzetes fehérje hálózatokat tártunk fel, melyek fontos szerepet töltenek be e sejtek működésében. Eredményeink a sokmagvú óriás vérsejtek két lépésben történő genom sokszorozódási folyamataink a megismeréséhez vezettek. Továbbá a sokmagvú óriás vérsejtekkel rendelkező Drosophila fajok genomjában, baktérium és bakteriofág eredetű, toxinokat kódoló genetikai elemeket azonosítottunk és jellemeztünk, melyek horizontális géntranszferrel épültek be a genetikai állományba és szelekciós előnyt biztosítva, meghatározták a fajok veleszületett immunitásának evolúcióját. A toxin gének azonosítása és a sokmagvú óriás vérsejtekkel rendelkező Drosophila fajok immunvédekezési folyamataiban kimutatott szerepüknek a további vizsgálata elősegíti az új immun-modulok keletkezésének, beépülésének, működésének és az evolúcióban betöltött szerepének a megértését.
Results in English
The connection between a novel cell type, the multinucleated giant hemocyte (MGH) and a highly efficient immunity to parasites prompted the molecular analysis of the recently discovered unorthodox innate immune reaction. Our immuno-electronmicroscopic analyses revealed unique ultrastructural arrangement of the plasma membrane and the cytoplasmic organelles of the MGHs, not observed so far in any other eukaryotic cell type. The molecular and bioinformatic studies revealed genes, gene families and characteristic networks operating in these cells and led to the discovery of two stage amplification of the genome in MGHs, which underlay the effective immune response. Furthermore, we discovered and characterized novel genetic elements, encoding for toxins originated from phages and bacteria, which integrated via horizontal gene transfer into the genome of the respective Drosophila species, and drive to new perspectives on the evolution of innate immunity. Identification of the domesticated genes, and further analysis of their involvement in the immune defense mechanisms of Drosophila species possessing MGHs, allow us to reveal the formation, integration and interaction of new immune-modules acting in a highly effective immune response.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128762
Decision
Yes





 

List of publications

  
Cinege G, Magyar LB, Kovács AL, Lerner Z, Juhász G, Lukacsovich D, Winterer J, Lukacsovich T, Hegedűs Z, Kurucz E, Hultmark D, Földy C, Andó I: Broad ultrastructural and transcriptomic changes underlie the multinucleated giant hemocyte mediated innate immune response against parasitoids, Journal of Innate Immunity, 14: (4) pp. 335-354, 2022
Cinege G, Kirsten IV, Lipinszki Z, Magyar LB, Tarnopol R, Noah W, Kurucz E, Andó I: A horizontális géntranszfer szerepe a veleszületett immunitás evolúciójában, Immunológiai Szemle, 13 : (3) p. 7-8, 2021
Magyar LB, Cinege G, Kovács A, Lerner Z, Juhász G, Lukacsovich D, Jochen W, Lukacsovich T, Hegedűs Z, Kurucz E, Dan H, Földy C, Andó I: A sokmagvú óriás vérsejtek által közvetített hatékony immunválaszt megalapozó, széleskörű ultrastrukturális és génexpressziós változások, Immunológiai Szemle 13 : (3) p. 15-16, 2021
Cinege G, Lerner Z, Magyar LB, Soós B, Tóth R, Kristó I, Vilmos P, Juhász G, Kovács AL, Hegedűs Z, Sensen CW, Kurucz É, Andó I: Cellular immune response involving multinucleated giant hemocytes with two-step genome amplification in the Drosophilid Zaprionus indianus, Journal of Innate Immunity, 12 : 3 pp. 257-272. , 16 p., 2020
Cinege G, Lerner Z, Magyar LB, Soós B, Tóth R, Kristó I, Vilmos P, Juhász G, Kovács AL, Hegedűs Z, Sensen CW, Kurucz É, Andó I: Cellular immune response involving multinucleated giant hemocytes with two-step genome amplification in the Drosophilid Zaprionus indianus, Journal of Innate Immunity, 12 : 3 pp. 257-272. , 16 p., 2020
Gábor E, Cinege G, Csordás G, Rusvai M, Honti V, Kolics B, Török T, Williams MJ, Kurucz É, Andó I.: Identification of reference markers for characterizing honey bee (Apis mellifera) hemocyte classes, Dev Comp Immunol, 109:103701. doi: 10.1016/j.dci.2020.103701., 2020
Gábor E, Cinege G, Csordás G, Honti V, Török T, Medzihradszky KF, Darula Z, Kurucz É, Andó I.: The identification of two important proteins in honey bee (Apis mellifera) cellular immunity, IMMUNOLÓGIAI SZEMLE. XI. 3p.12., 2019
Magyar LB, Lukacsovics D, Cinege G, Lerner Z, Kovács AL, Juhász G, Lukacsovich T, Winterer J, Hegedűs Z, Kurucz É, Andó I.: A novel cell type in innate immunity, the multinucleated giant hemocyte, IMMUNOLÓGIAI SZEMLE. XI. 3p.33., 2019
Vagra GI, Csordás G, Jankovics F, Cinege G, Sinka R, Kurucz É, Andó I, Honti V.: Headcase regulates hemocyte differentiation in Drosophila melanogaster, IMMUNOLÓGIAI SZEMLE. XI. 3p.20., 2019
Cinege G, Lerner Z, Magyar LB, Soós B, Kurucz É, Tóth R, Kristó I, Vilmos P, Kovács AL, Juhász G, Hegedűs Z, Andó I.: 2019 Highly efficient cellular immune response involving multinucleated giant hemocytes with two-step genome amplification., IMMUNOLÓGIAI SZEMLE. XI. 3p.9., 2019
Cinege G, Magyar LB, Kovács AL, Lerner Z, Juhász G, Lukacsovich T, Lukacsovich D, Winterer J, Földy C, Hegedűs Z, Kurucz É, Andó I: A sokmagvú óriás vérsejtek ultraszerkezetének vizsgálata és transzkriptom analízise, Immunológiai Szemle 12: (3) p. 5-6, 2020
Magyar LB, Cinege G, Lerner Z, Kurucz É, Kovács AL, Juhász G, Lukacsovich T, Lukacsovich D, Winterer J, Földy C, Hegedűs Z, Andó I: A sokmagvú óriás vérsejtek szerkezeti és működési sajátosságainak jellemzése, Immunológiai Szemle, 12: (3) p. 29-30, 2020
Gábor E, Cinege G, Csordás G, Rusvai M, Honti V, Kolics B, Török T, Williams MJ, Kurucz É, Andó I.: Identification of reference markers for characterizing honey bee (Apis mellifera) hemocyte classes, Dev Comp Immunol, 109:103701. doi: 10.1016/j.dci.2020.103701., 2020
Varga GIB, Csordás G, Cinege G, Jankovics F, Sinka R, Kurucz É, Andó I, Honti V: Headcase is a repressor of lamellocyte fate in Drosophila melanogaster, Genes (Basel). 5;10(3). pii: E173. doi: 10.3390/genes10030173., 2019
Varga GIB, Csordás G, Jankovics F, Lukacsovich T, Cinege G, Sinka R, Kurucz É, Andó I, Honti V: Headcase, a novel regulator of hemocyte differentiation in Drosophila melanogaster, Immunológiai szemle 10: (3) p. 51, 2018
Lerner Z, Cinege G, Kovács AL, Juhász G, Kurucz É, Andó I: Comparative analysis of the multinucleated giant hemocytes in two Drosophila species., Immunológiai Szemle 10: (3) p. 40, 2018
Gábor E, Cinege G, Csordás G, Török T, Medzihradszky KF, Darula Z, Kurucz É, Andó I: Monoclonal antibodies for the characterization of hemocyte subpopulations in the honey bee, Apis mellifera, Immunológiai Szemle 10: (3) p. 31, 2018
Cinege G, Lerner Z, Soós B, Kurucz É, Tóth R, Kristó I, Kovács AL, Juhász G, Hegedűs Z, Andó I: A highly efficient immune response in the invasive Zaprionus indianus, Immunológiai Szemle 10: (3) p. 28, 2018
Varga GIB, Csordás G, Cinege G, Jankovics F, Sinka R, Kurucz É, Andó I, Honti V: Headcase is a repressor of lamellocyte fate in Drosophila melanogaster, Genes (Basel). 5;10(3). pii: E173. doi: 10.3390/genes10030173., 2019
Cinege G, Lerner Z, Magyar LB, Soós B, Tóth R, Kristó I, Vilmos P, Juhász G, Kovács AL, Hegedűs Z, Sensen CW, Kurucz É, Andó I: Cellular immune response involving multinucleated giant hemocytes with two-step genome amplification in the Drosophilid Zaprionus indianus, Journal of Innate Immunity Sep 25:1-16. doi: 10.1159/000502646, 2019




 

Events of the project

  
2022-01-28 11:25:50
Résztvevők változása
2019-07-01 18:02:51
Résztvevők változása



Back »