Forskere viser, hvordan insektfødevalg kan manipuleres

Forskere ved University of California, Riverside har fundet en måde at få adgang til og manipulere smagsneuroner i svælget (halsen) på den almindelige frugtflue, som kunne hjælpe med at kontrollere spredningen af ​​myg-relaterede sygdomme, såsom dengue, malaria, gul feber, og Zika-virus, og reducere tabet af afgrøder på grund af skadedyr i landbruget.

Hos insekter, smagsreceptorer findes i neuroner i ydre smagshår på vingerne, ben og munddele, samt i indre smagsorganer i svælget. De fleste forskere, der studerer smag, fokuserer kun på de ydre smagshår, imidlertid, og overse svælget, som er sværere at få adgang til.

Anupama Dahanukar, en lektor i molekylær, celle, og systembiologi, og Yu-Chieh David Chen, hendes kandidatstuderende, var i stand til at undersøge de molekylære identiteter af pharyngeale neuroner i frugtfluen, en kraftfuld genetisk modelorganisme til at studere insektadfærd, ved at gøre neuronerne fluorescerende. Fluorescensen hjalp dem med at forstå, på molekylært niveau, hvordan pharyngeale neuroner var organiseret.

"Ved at bruge transgene fluer, vi var i stand til at undersøge ekspressionen af ​​fluorescerende proteiner designet til at afspejle mønstre af kemosensoriske receptorer i pharyngeale smagsneuroner i fluen og tegne et præcist molekylært kort over disse organer, hvilket ikke er gjort før, " sagde Dahanukar, der ledede forskningsprojektet. "Vi var også i stand til at manipulere udvalgte grupper af disse neuroner for at finde ud af, om de informerer fluen om at spise bestemte fødevarer eller at undgå dem."

En sådan genetisk manipulation af neuroner i insekter kunne have store anvendelser til at bremse spredningen af ​​myggebårne sygdomme og reducere afgrødeskader ved at kontrollere fodringsadfærden hos myg og landbrugsskadedyr, henholdsvis. Alene malaria dræbte omkring 438, 000 mennesker i verden i 2015; rundt regnet, 3-4 milliarder mennesker er i risiko for at få dengue eller malaria hvert år. Tab til amerikansk afgrøde- og skovproduktion anslås til 40 milliarder dollars årligt.

"Den vigtige rolle, som en flues svælg-smagsorganer spiller i reguleringen af ​​fødevarevalg, har været stort set ubeskåret indtil for nylig, sagde Michael Gordon, en lektor i biologi ved University of British Columbia, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Anupama og Davids meget omhyggelige og detaljerede kortlægning af specifikke svælgcelletyper giver vigtig indsigt i logikken bag kemisk påvisning i disse organer. Det giver også en ramme for yderligere at forstå kompleksiteten af ​​smagens indvirkning på fluefodringsadfærd."

Undersøgelsesresultater vises i Cellerapporter .

"Det genetiske værktøjssæt, vi har defineret, kan give os mulighed for at manipulere udvalgte klasser af pharyngeale smagsneuroner og undersøge konsekvenserne af disse manipulationer af forskellige funktioner, " sagde Chen.

Chen og Dahanukar fandt også ud af, at fluens svælgesmagsorganer deler nogle træk med smagshår på de ydre organer. Andre funktioner, såsom co-ekspression (eller mangel på samme) af visse receptorer, kan være unikke for svælgorganer.

"Det har været mistanke om, at information fra svælgorganer kan fortolkes anderledes end information, der kommer fra eksterne organer, fordi neuroner fra forskellige organer forbinder til forskellige kredsløb i hjernen, " sagde Dahanukar, medlem af Institute for Integrative Genome Biology ved UCR. "Men molekylære forskelle mellem de to tyder på, at arten af ​​informationen også kan være anderledes. Svælgorganer kan prøve kemikalier anderledes end ydre organer, eller disse interne neuroner kan mærke andre fødeegenskaber, som hjælper fluen med at beslutte, om den skal indtages eller ej."

For at opnå fluorescens i fluens pharyngeale smagsneuroner, Dahanukar og Chen parrede to transgene fluer, hvor en forælderflue har et GAL4-transgen under kontrol af regulatoriske regioner af forskellige kemosensoriske receptorer, og den anden forælder har et UAS-GFP-transgen. Da de to transgene fluer parrede sig, afkommets pharyngeale smagsneuroner viste fluorescens i mønstre, der afspejler ekspression af disse kemosensoriske receptorer.

Chen forklarede, at UAS-GFP-transgenet tillader ekspression af det grønne fluorescensprotein, men den kan ikke opnå dette på egen hånd. For at generere fluorescens, en kemoreceptor-GAL4 er nødvendig for at tænde for generne nedstrøms for UAS-sekvensen.

"Grunden til, at vi ikke introducerer både GAL4- og UAS-transgener i den samme flue, men i stedet adskiller GAL4- og UAS-transgenerne i forskellige transgene fluelinjer er, at vi ønsker at gøre disse fluelinjer mere alsidige til kombinatoriske eksperimenter, " sagde han. "Overvej capsaicin, en aktiv komponent i chilipeber, som fluer ikke kan smage. Hvis vi kan udtrykke en capsaicin-receptor i en pharyngeal neuron af fluen ved hjælp af en særlig kombination af kemosensoriske-GAL4 og UAS-capsaicin-transgener, så har den neuron nu receptoren for capsaicin. Det betyder, at capsaicin nu kan aktivere denne neuron. På denne måde vi kan give fluen enhver smagsreceptor, vi ønsker, og ændre fluens adfærd. Ved kunstigt at aktivere selektive neuroner, vi kan få fluen til at nærme sig en bestemt føde eller bevæge sig væk fra den."

Baseret på deres placering i fødevarekanalen, pharyngeale smagsorganer er blevet anset for at være vigtige for at kontrollere fodringsadfærd. Flere og flere undersøgelser indikerer, at svælg-smagsneuroner og kredsløb kan være nøglespillere i fodring, sult, belønning, og hukommelse.

"Det er afgørende at studere disse neuroner, som ofte er forbigået i tidligere forskning, fordi vi ved, at mad skal passere gennem svælget, " sagde Chen. "Kun med fokus på de ydre smagsorganer, såsom ben og vinger, kan føre til ukorrekte eller ufuldstændige konklusioner. Vores papir giver vejkort over svælg-smagsorganer i et insektmodelsystem til at undersøge disse understuderede neuroners rolle i at kontrollere fødeadfærd."

Nu hvor Dahanukar og Chen har genetiske værktøjssæt til at manipulere flueneuroner, de planlægger at studere individuelle pharyngeale neuroner for fuldt ud at forstå, hvilken rolle de spiller i fluens fødeadfærd.