Proteo-transcriptomic analysis of the venom of the endoparasitoid wasp Pimpla turionellae and its impact on host insect epigenetic mechanisms

Abstract

Parasitoid wasps are hymenopterans that use other insects as hosts for their offspring. Females deposit their eggs either in (endoparasitoid) or on (ectoparasitoid) the host and inject maternal venoms and viruses to modulate host physiology to ensure the survival of the wasp eggs. The endoparasitoid wasp Pimpla turionellae (Linnaeus) injects its venom with the egg to sabotage the host s cellular and humoral defense, arrest further host development, and paralyze the host pupa to promote their offspring s survival. In this work, the impact of parasitization was analyzed to test whether idiobiont endoparasitoids induce epigenetic reprogramming to overcome host immune defense and disturb host development, and P. turionellae venom components were characterized using a combined proteo-transcriptomic approach.The impact of parasitization was tested by monitoring differentially expressed genes involved in the immunity and developmental hormone signaling pathways of parasitized and control hosts, Galleria mellonella (Linnaeus). My results indicate that parasitization induces the suppression of host immune responses and the modulation of host development. The changes in gene expressions were related to alterations in the host s epigenetic mechanisms. Parasitization by P. turionellae induced changes in the acetylation ratios of specific histones and a transient decrease in the host s global DNA methylation. Additionally, I observed strong parasitization-specific changes in the host s microRNAs pattern that regulate gene expression at the post-transcriptional level.On a second level, the transcriptomic analysis of venom glands and the proteomic study of the crude venom of endoparasitoid wasp P. turionellae were combined and resulted in the identification of several enzymes, cysteine-rich peptides, and other proteins. Possible biological functions of the identified proteins were characterized with respect to other known parasitoid venoms. Interestingly, any evidence of pimplin, the previously described main paralytic factor of Pimpla hypochondriaca venom, was not identified. However, a new cysteine inhibitor knot (ICK) family (pimplin2) that is highly similar to known ICK-like neurotoxins was found as a highly expressed venom component.In conclusion, my thesis characterizes the venom composition of P. turionellae, describing the known and novel venom protein families. Furthermore, the new insights reveal that parasitization reprograms the epigenetic mechanisms of the host to disrupt its development and suppress its immune system. Finally, some of the identified but functionally unknown components, such as the linear, short protein pimplin4, will be bioactivity tested to perform an in-depth assessment of their promising potential in bioinsecticidal or antimicrobial applications. Parasitoide sind Hymenopteren, die andere Insekten als Wirte für ihre Nachkommen nutzen. Die endoparasitoide Wespe Pimpla turionellae injiziert ihr Gift zusammen mit ihrem Ei, um die zelluläre und humorale Abwehr des Wirtes zu sabotieren und dessen weitere Entwicklung zu stoppen. Zudem werden die Wirtslarven gelähmt, um das Überleben der parasitoiden Nachkommen zu sichern. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Parasitierung analysiert, um zu untersuchen, ob idiobionte Endoparasitoide die Immunabwehr und die Entwicklung des Wirtes unterdrücken können, indem sie dessen epigenetische Regulationsmechanismen stören. Ferner wurden die Giftkomponenten von P. turionellae durch proteo-transkriptomische Ansätze charakterisiert.Die Auswirkungen der Parasitierung auf den Wirt, die Puppe der großen Wachsmotte Galleria mellonella, wurden durch Analyse von differentiell exprimierten Genen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Parasitierung durch P. turionellae im verwendeten Modellwirt dessen Immunabwehr und Entwicklung hemmen. Die Veränderungen der Genexpression stehen im Zusammenhang mit Veränderungen der epigenetischen Mechanismen des Wirtes. Die Parasitierung induziert Änderungen der Acetylierungsverhältnisse spezifischer Histone, eine vorübergehende Abnahme der globalen DNA-Methylierung und eine Umprogrammierung der microRNA-Expression in G. mellonella.Die proteo-transkriptomische Analyse des Giftes von P. turionellae führte zur Identifizierung mehrerer Enzyme, Cystein-reicher Peptide und anderer Proteine. Mögliche biologische Funktionen identifizierter Proteine wurden im Vergleich mit Giften anderer bekannter Parasitoide diskutiert. Interessanterweise wurde kein Hinweis auf Pimplin, den in der Literatur bisher beschriebenen paralytischen Hauptfaktor des Giftes von Pimpla hypochondriaca, gefunden. Stattdessen wurde eine neue Toxin-Familie (Pimplin2) identifiziert, die bekannten Cystein-reichen Neurotoxinen sehr ähnlich ist und das höchste Expressionsniveau aller Gift-Komponenten aufweist.Diese Arbeit charakterisiert die Giftzusammensetzung von P. turionellae und beschreibt bekannte sowie neuartige Komponenten. Zu den gewonnenen Erkenntnissen gehört, dass die Parasitierung mit P. turionellae im befallenen Wirtsinsekt Auswirkungen auf dessen epigenetische Mechanismen hat, die zur Hemmung der Immunabwehr und zur Verzögerung der Entwicklung führen. Schließlich werden einige der identifizierten, aber funktionell unbekannten Komponenten, wie das lineare, kurze Protein Pimplin4, auf Bioaktivität getestet, um eine eingehende Bewertung ihres vielversprechenden Potenzials für bioinsektizide oder antimikrobielle Anwendungen durchführen zu können.