Mechanisms of transgenerational memory mediated by interspecies small RNAs during C. elegans infection with P. aeruginosa PAO1

Abstract

La interacción entre los animales y las bacterias ha sido un factor crucial en el origen y evolución de la vida animal, influyendo en procesos como la endosimbiosis, la fagocitosis y la regulación del ciclo de vida. Caenorhabditis elegans es un organismo modelo que se alimenta de una amplia variedad de bacterias, desde comensales hasta patógenas. Entre sus adaptaciones transgeneracionales, la formación del dauer inducida por patógenos (PIDF) representa una estrategia de supervivencia para evitar la infección bacteriana en ausencia de otras fuentes de alimento. Es probable que los RNAs pequeños desempeñen un papel clave en la comunicación interespecífica que subyace a estas adaptaciones. Nuestro estudio proporciona evidencia de que C. elegans puede transmitir información ambiental a través de generaciones, modulando sus respuestas inmunológicas y metabólicas tras la exposición a Pseudomonas aeruginosa PAO1. Se observó una correlación en la expresión génica diferencial entre las generaciones F2 y F5, lo que sugiere la existencia de una memoria epigenética que se reactiva tras una nueva exposición al patógeno. El análisis de enriquecimiento específico por tejido reveló que los genes diferencialmente expresados en F2 estaban asociados con los tejidos reproductivos e intestinales, mientras que en F4 se detectó un cambio hacia procesos metabólicos y neuronales. En F5, se observaron tanto respuestas inmunológicas como neuronales, lo que destaca la integración multiescalar de la memoria transgeneracional. Los marcadores epigenéticos H3K4me3 (activador) y H3K9me3 (represivo) se regularon dinámicamente a lo largo de las generaciones. Notablemente, en F4 se observó una relajación epigenética, mientras que en F2 y F5 se detectaron niveles elevados de ambas marcas, lo que sugiere una respuesta adaptativa al estrés bacteriano. Los genes clave involucrados en la formación del dauer, como brp-1, ctsa 1.2, F47B8.3, daf-4 y akt-2, estuvieron asociados con H3K4me3, lo que indica un mecanismo regulador conservado entre F2 y F5 que prepara al organismo para la entrada en dauer bajo condiciones de estrés ambiental. La integración de datos de mRNA-seq, ChIP-seq y small RNA-seq identificó a los microARNs miR-80 y miR-239.1 como posibles reguladores de la respuesta al estrés y de la memoria epigenética en F5. Curiosamente, se detectaron tRNAs de P. aeruginosa PAO1 dentro de C. elegans, lo que sugiere que los RNAs no codificantes bacterianos pueden influir en la expresión génica del hospedador a través de modificaciones epigenéticas o interacciones con RNAs pequeños endógenos. Estos hallazgos revelan un nuevo aspecto de la interacción hospedador-patógeno, en el que los tRNAs bacterianos influyen en la adaptación transgeneracional en C. elegans. Nuestros resultados aportan información sobre los mecanismos moleculares que regulan las respuestas transgeneracionales inducidas por patógenos, destacando el papel de los pequeños RNAs en la comunicación interespecífica y la memoria adaptativa. Comprender estos procesos podría proporcionar una visión más amplia de la dinámica evolutiva de las interacciones hospedador-patógeno y de los mecanismos de herencia epigenética.

The interaction between animals and bacteria has been a crucial factor in the origin and evolution of animal life, influencing processes such as endosymbiosis, phagocytosis, and life cycle regulation. Caenorhabditis elegans is a model organism that feeds on a wide variety of bacteria, ranging from commensals to pathogens. Among its transgenerational adaptations, pathogen-induced dauer formation (PIDF) represents a survival strategy to avoid bacterial infection in the absence of alternative food sources. Small RNAs are likely to play a key role in the interspecies communication underlying these adaptations. Our study provides evidence that C. elegans can transmit environmental information across generations, modulating its immune and metabolic responses upon exposure to Pseudomonas aeruginosa PAO1. A correlation in differential gene expression was observed between the F2 and F5 generations, suggesting the existence of an epigenetic memory that is reactivated upon re-exposure to the pathogen. Tissue specific enrichment analysis revealed that differentially expressed genes in F2 were associated with reproductive and intestinal tissues, whereas in F4, a shift towards metabolic and neuronal processes was detected. In F5, both immune and neuronal responses were observed, highlighting the multi-level integration of transgenerational memory. Epigenetic markers H3K4me3 (activating) and H3K9me3 (repressive) were dynamically regulated across generations. Notably, epigenetic relaxation was observed in F4, whereas elevated levels of both marks were detected in F2 and F5, suggesting an adaptive response to bacterial stress. Key genes involved in dauer formation, such as brp-1, ctsa-1.2, F47B8.3, daf-4, and akt-2, were associated with H3K4me3, indicating a conserved regulatory mechanism between F2 and F5 that prepares the organism for dauer entry under environmental stress conditions. The integration of mRNA-seq, ChIP-seq, and small RNA-seq data identified microRNAs miR-80 and miR-239.1 as potential regulators of stress response and epigenetic memory in F5. Interestingly, P. aeruginosa PAO1 tRNAs were detected within C. elegans, suggesting that bacterial non-coding RNAs may influence host gene expression through epigenetic modifications or interactions with endogenous small RNAs. These findings reveal a new aspect of the host-pathogen interaction, in which bacterial tRNAs influence transgenerational adaptation in C. elegans. Our results provide insights into the molecular mechanisms that regulate transgenerational pathogen-induced responses, highlighting the role of small RNAs in interspecies communication and adaptive memory. Understanding these processes could offer a broader perspective on the evolutionary dynamics of host-pathogen interactions and epigenetic inheritance mechanisms.