Onderzoek naar de selectieve acquisitie van zombievliegen door de poppenspelerschimmel

In een nieuwe studie gepubliceerd in eLifeHoofdauteur Carolyn Elya, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Evolutionaire en Organismische Biologie van Harvard, onthult de moleculaire en cellulaire onderbouwing achter het vermogen van de parasitaire schimmel Entomophthora muscae (E. muscae) om het gedrag van fruitvliegjes te manipuleren.

Elya beschreef voor het eerst het gemanipuleerde gedrag, peaking genaamd, in een studie gepubliceerd in eLife in 2018. Elya, die microben bestudeerde die door fruitvliegjes werden gedragen terwijl ze een afgestudeerde student was aan de University of California (UC) Berkeley, plaatste rot fruit om wilde fruitvliegjes te vangen.

Toen hij later controleerde of hij er een had gevangen, vond hij in plaats daarvan zombievliegen, met een gestreept patroon op hun buik, die in een interessante houding waren gestorven. Door middel van DNA-extractie en sequentiebepaling bevestigde Elya de vermoedelijke oorzaak, E. muscae.

De top vindt plaats bij zonsondergang wanneer de geïnfecteerde vliegen naar een verhoogde plaats klimmen en hun slurf naar de oppervlakte uitstrekken. Een kleverige druppel die uit de proboscis komt, hecht de vlieg aan het oppervlak net voordat de vleugels van het lichaam loskomen en de vliegen sterven.

“Escalatie is erg belangrijk omdat het de vlieg op een gunstige plek plaatst voor de schimmel om zich naar zoveel mogelijk gastheren te verspreiden”, zegt Elya. “De schimmel springt naar de nieuwe gastheer door zeer gespecialiseerde en tijdelijke structuren te vormen die door de huid van de vlieg heen breken en sporen in de omgeving schieten die maar een paar uur goed zijn. Het is een vluchtig proces, dus uitkijkpunt is alles om te overleven. . .”

Terwijl hij op UC Berkeley was, ontwikkelde Elya een laboratoriummodel dat hij het Entomophthora muscae-Drosophila melanogaster ‘zombievlieg’-systeem noemt, met behulp van het wilde paddenstoelenisolaat dat hij in zijn achtertuin vond. Met dit systeem kon Elya continu fruitvliegen infecteren, een nietje in het laboratorium, en de schimmel onafhankelijk van de gastheervlieg laten groeien in media die de interne omgeving van de vlieg nabootsen.

Summiting is meerdere keren in de wetenschappelijke literatuur verschenen, maar de studies waren alleen observaties van dode huisvliegen. Niemand had ooit gezien hoe vliegen zich gedragen in hun laatste levensuren. Elya wilde deze kennislacune opvullen over wat er gebeurt als vliegen de top bereiken door een high-throughput gedragstest te ontwikkelen om automatisch honderden geïnfecteerde vliegen te volgen. Terwijl hij dit platform gebruikte om het gedrag te volgen van vliegen die in zombies veranderden, stuitte hij op een verrassing.

“We ontdekten dat de top bereiken niet gaat over klimmen,” zei Elya, “het is eigenlijk deze uitbarsting van bewegingsactiviteit die begint ongeveer twee en een half uur voordat de vliegen sterven.”

Met deze ontdekking combineerden Elya en co-auteurs hun systeem voor het op aanvraag creëren van zombievliegen met de krachtige toolkit voor fruitvlieggenetica van het laboratorium. Met deze en de nieuwe gedragstest van de auteur konden ze de genen en neuronen identificeren die nodig zijn om de vliegen naar de top te laten stijgen.

“Over het algemeen ontdekten we dat de hormonale spindels van de vliegen het gedrag van de top bemiddelden. Toen we deze neuronen het zwijgen oplegden, waren de vliegen erg slecht op de top”, zegt Elya. Deze neuronen sturen projecties naar een neurohemaal orgaan dat juveniel hormoon produceert, een hormoon dat in insecten wordt bewaard. “We denken dat de schimmel eigenlijk de activiteit van deze neuronen aanstuurt om de afgifte van dit hormoon aan te drijven, waardoor de vliegen deze uitbarsting van locomotorische activiteit hebben.”

Elya en co-auteurs waren toen in staat om een ​​gedragsdataset te verzamelen die bestond uit honderden geïnfecteerde vliegen, die ze vervolgens gebruikten om een ​​computer te trainen om vliegen te identificeren terwijl ze de top bereikten. Met dit sorteerhulpmiddel kon het team ontdekken dat schimmelcellen de vliegenhersenen op een georganiseerde manier binnendringen en specifieke hersengebieden bezetten tijdens pieken.

Interessant is dat het team ook ontdekte dat de bloed-hersenbarrière van vliegen wordt aangetast wanneer ze worden blootgesteld aan de schimmel. Normaal gesproken worden de neuronen beschermd tegen het bloed dat door het lichaam van de vlieg circuleert. De afbraak van de bloed-hersenbarrière heeft grote gevolgen voor waar neuronen aan worden blootgesteld, waardoor dingen die in het bloed circuleren mogelijk kunnen interageren met neuronen in de hersenen, waardoor een pad wordt geboden om neuronale activiteit te moduleren.

“We denken dat dit belangrijk kan zijn vanwege de manier waarop de schimmel gedragsveranderingen veroorzaakt,” zei Elya, “en we hebben zelfs ontdekt dat je bloed kunt nemen van vliegen die het topgedrag vertonen, het in naïeve vliegen kunt stoppen en sommige van hen kunt verdrijven. deze toename van de voortbeweging. We hebben dus aangetoond dat er op zijn minst een gedeeltelijke mogelijkheid is om dit piekgedrag te recapituleren door simpelweg vliegenbloed over te brengen.”

Elya zegt dat deze experimenten aantonen dat sommige door bloed overgedragen factoren topgedrag kunnen stimuleren, hoewel het nog niet duidelijk is wat de identiteit van deze factoren is of wie ze produceert (de schimmel of de vlieg).

Elya hoopt vervolgens transgenen te ontwikkelen om dingen vanuit de schimmelkant te helpen moduleren, naast de verstoringen die al bij vliegen kunnen optreden. “Er zijn hier nog veel open vragen”, zegt hij, “wat de schimmel doet, blijft een mysterie.”