Gene expression characterization of ticks' folate pathway

Abstract

Ticks and tick-borne diseases have a high impact in human and animal health worldwide, being also responsible for a great economic burden in the livestock industry. As such, there is need to increase and improve our understanding of the tick vectors and the pathogens they transmit for the development of cost-effective measures of control and eradication. Vaccines with the capacity to target several tick species and/or capable to block pathogen transmission are a promising approach for this problem. However, vaccine development is highly dependent on the selection of appropriate antigens. The folate pathway is one of the targets in the control and treatment of malaria being interesting for its broad but essential roles in organism survival, including biosynthesis of purines, pyrimidines, tetrahydrobiopterin, between many others. Here, we study how parasites/bacteria interactions modulate the expression of the folate pathway in the tick vector and the potential of these targets as candidate antigens for vaccine development. Folate pathway gene identification was performed by PCR and qPCR in three Rhipicephalus tick species (Rhipicephalus annulatus, Rhipicephalus bursa and Rhipicephalus sanguineus) and also in the Ixodes scapularis tick cell line (IDE8). Differential expression of these genes was analysed between uninfected and pathogen infected samples in four biological systems (R. annulatus – Babesia bigemina, R. bursa – Babesia ovis, R. sanguineus – Ehrlichia canis, IDE8 – E. canis) followed by target selection for in vitro functional analysis by RNA interference. For the silencing assay, double stranded RNA was inoculated in uninfected and E. canis - infected IDE8 cells. Samples were collected in three time points to evaluate gene knockdown effect on cell morphology and bacterial invasion and replication in tick cells. It was possible to identity five genes in R. annulatus and only three in the other biological systems. Overall, an increase in gene expression was observed in response to infection, however not always statistically significative. The gene encoding for GTP cyclohydrolase I (GCH-I) was selected for the silencing assay for showing the largest fold-change (p < 0.01) in the majority of the tested biological systems. Silencing of this gene in the IDE8 cell line showed no alteration in tick cell morphology and no effect on the invasion and multiplication of the bacteria in the cells. These results suggest gene expression modulation of folate pathway either as a tick response to an invader or manipulation of the tick cell machinery by the pathogens to their advantage, being interesting targets for further studies.

As doenças transmitidas por carraças têm um grande impacto mundial na saúde humana e animal, sendo também responsáveis por um grande fardo económico nas indústrias pecuárias. Desta forma, há uma necessidade de aumentar e melhorar a nossa compressão das carraças como vetores e dos agentes patogénicos que estas transmitem para o desenvolvimento de medidas economicamente viáveis para o seu controlo e erradicação. Vacinas com a capacidade de afetar várias espécies de carraças ou capazes de bloquear a transmissão dos agentes patogénicos são uma abordagem promissora para este problema. No entanto, o desenvolvimento de vacinas é altamente dependente da seleção de antigénios apropriados. A via do folato é um dos alvos para o controlo e tratamento da malária, sendo interessante pelos seus amplos, mas essenciais papeis na sobrevivência dos organismos, incluindo a biossíntese de purinas, pirimidinas, tetrahidrobiopterina, entre muitos outros. Aqui, é estudado como as interações com os parasitas/bactérias modelam a expressão da via do folato nas carraças e o potencial destes alvos como antigénios candidatos para o desenvolvimento de vacinas. A identificação de genes da via do folato foi realizada através de PCR e qPCR em três espécies de carraça do género Rhipicephalus (Rhipicephalus annulatus, Rhipicephalus bursa e Rhipicephalus sanguineus) e também na linha celular de Ixodes scapularis (IDE8). A expressão diferencial destes genes foi analisada entre amostras não infetadas e infetadas em quatro sistemas biológicos (R. annulatus – Babesia bigemina, R. bursa – Babesia ovis, R. sanguineus – Ehrlichia canis, IDE8 – E. canis) seguida da seleção de alvos para análise funcional in vitro através de RNA de interferência. Para o ensaio de silenciamento, RNA em cadeia dupla foi inoculado em células IDE8 não infectas e infetadas com E. canis. Amostras foram coletadas em três tempos para avaliar o efeito do silenciamento do gene na morfologia das células e na invasão e replicação das bactérias nas células de carraça. Foi possível identificar cinco genes em R. annulatus e apenas três nos restantes sistemas biológicos. No geral, foi observado um aumento da expressão dos genes em resposta a infeção, apesar de nem sempre ser estatisticamente significativo. O gene que codifica para a enzima GTP cyclohydrolase I (GCH-I) foi selecionado para o ensaio de silenciamento por apresentar a maior diferença de expressão (p < 0.01) na maioria dos sistemas biológicos testados. Silenciamento deste gene na linha celular IDE8 não mostrou nenhuma alteração na morfologia das células e nenhum efeito na invasão e multiplicação da bactéria nas células. Estes resultados sugerem uma modulação da expressão génica da via do folato seja como resposta da carraça ao organismo invasor ou como manipulação da maquinaria celular da carraça pelo patogénio para sua vantagem, sendo alvos interessantes para mais estudos.