Abstract Uncovering the complexity of systems in non-model organisms is critical for understanding arthropod immunology. Prior efforts have mostly focused on Dipteran insects, which only account for a subset of existing arthropod species in nature. Here, we describe immune cells or hemocytes from the clinically relevant tick Ixodes scapularis using bulk and single cell RNA sequencing combined with depletion via clodronate liposomes, RNA interference, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats activation (CRISPRa) and RNA-fluorescence in situ hybridization (FISH). We observe molecular alterations in hemocytes upon tick infestation of mammals and infection with either the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi or the rickettsial agent Anaplasma phagocytophilum . We predict distinct hemocyte lineages and reveal clusters exhibiting defined signatures for immunity, metabolism, and proliferation during hematophagy. Furthermore, we perform a mechanistic characterization of two I. scapularis hemocyte markers: hemocytin and astakine . Depletion of phagocytic hemocytes affects hemocytin and astakine levels, which impacts blood feeding and molting behavior of ticks. Hemocytin specifically affects the c-Jun N-terminal kinase (JNK) signaling pathway, whereas astakine alters hemocyte proliferation in I. scapularis . Altogether, we uncover the heterogeneity and pleiotropic roles of hemocytes in ticks and provide a valuable resource for comparative biology in arthropods.

Arthropod-borne pathogens are responsible for hundreds of millions of infections in humans each year. The blacklegged tick, Ixodes scapularis, is the predominant arthropod vector in the United States and is responsible for transmitting several human pathogens, including the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi and the obligate intracellular rickettsial bacterium Anaplasma phagocytophilum, which causes human granulocytic anaplasmosis. However, tick metabolic response to microbes and whether metabolite allocation occurs upon infection remain unknown. Here we investigated metabolic reprogramming in the tick ectoparasite I. scapularis and determined that the rickettsial bacterium A. phagocytophilum and the spirochete B. burgdorferi induced glycolysis in tick cells. Surprisingly, the endosymbiont Rickettsia buchneri had a minimal effect on bioenergetics. An unbiased metabolomics approach following A. phagocytophilum infection of tick cells showed alterations in carbohydrate, lipid, nucleotide and protein metabolism, including elevated levels of the pleiotropic metabolite β-aminoisobutyric acid. We manipulated the expression of genes associated with β-aminoisobutyric acid metabolism in I. scapularis, resulting in feeding impairment, diminished survival and reduced bacterial acquisition post haematophagy. Collectively, we discovered that metabolic reprogramming affects interspecies relationships and fitness in the clinically relevant tick I. scapularis.

Although genetic manipulation is one of the hallmarks in model organisms, its applicability to non-model species has remained difficult due to our limited understanding of their fundamental biology. For instance, manipulation of a cell line originated from the blacklegged tick Ixodes scapularis, an arthropod that serves as a vector of several human pathogens, has yet to be established. Here, we demonstrate the successful genetic modification of the commonly used tick ISE6 line through ectopic expression and clustered regularly interspaced palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated protein 9 (Cas9) genome editing. We performed ectopic expression using nucleofection and attained CRISPR-Cas9 editing via homology dependent recombination. Targeting the E3 ubiquitin ligase X-linked inhibitor of apoptosis (xiap) and its substrate p47 led to alteration in molecular signaling within the immune deficiency (IMD) network and increased infection of the rickettsial agent Anaplasma phagocytophilum in I. scapularis ISE6 cells. Collectively, our findings complement techniques for genetic engineering of ticks in vivo and aid in circumventing the long-life cycle of I. scapularis, of which limits efficient and scalable molecular genetic screens.

Hematophagous ectoparasites, such as ticks, rely on impaired wound healing for skin attachment and blood feeding. Wound healing has been extensively studied through the lens of inflammatory disorders and cancer, but limited attention has been given to arthropod-borne diseases. Here, we used orthogonal approaches combining single-cell RNA sequencing (scRNAseq), flow cytometry, murine genetics, and intravital microscopy to demonstrate how tick extracellular vesicles (EVs) disrupt networks involved in tissue repair. Impairment of EVs through silencing of the SNARE protein vamp33 negatively impacted ectoparasite feeding and survival in three medically relevant tick species, including Ixodes scapularis. Furthermore, I. scapularis EVs affected epidermal γδ T cell frequencies and co-receptor expression, which are essential for keratinocyte function. ScRNAseq analysis of the skin epidermis in wildtype animals exposed to vamp33-deficient ticks revealed a unique cluster of keratinocytes with an overrepresentation of pathways connected to wound healing. This biological circuit was further implicated in arthropod fitness when tick EVs inhibited epithelial proliferation through the disruption of phosphoinositide 3-kinase activity and keratinocyte growth factor levels. Collectively, we uncovered a tick-targeted impairment of tissue repair via the resident γδ T cell-keratinocyte axis, which contributes to ectoparasite feeding.

Abstract Arthropod-borne microbes rely on the metabolic state of a host to cycle between evolutionarily distant species. For instance, arthropod tolerance to infection may be due to redistribution of metabolic resources, often leading to microbial transmission to mammals. Conversely, metabolic alterations aids in pathogen elimination in humans, who do not ordinarily harbor arthropod-borne microbes. To ascertain the effect of metabolism on interspecies relationships, we engineered a system to evaluate glycolysis and oxidative phosphorylation in the tick Ixodes scapularis . Using a metabolic flux assay, we determined that the rickettsial bacterium Anaplasma phagocytophilum and the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi , which are transstadially transmitted in nature, induced glycolysis in ticks. On the other hand, the endosymbiont Rickettsia buchneri, which is transovarially maintained, had a minimal effect on I. scapularis bioenergetics. Importantly, the metabolite β-aminoisobutyric acid (BAIBA) was elevated during A. phagocytophilum infection of tick cells following an unbiased metabolomics approach. Thus, we manipulated the expression of genes associated with the catabolism and anabolism of BAIBA in I. scapularis and detected impaired feeding on mammals, reduced bacterial acquisition, and decreased tick survival. Collectively, we reveal the importance of metabolism for tick-microbe relationships and unveil a valuable metabolite for I. scapularis fitness.