Eusociala hymenopterans medfödda immunsvar mot viruspatogenutmaning

Abstrakt

Under de senaste åren har insektsimmunologi expanderat snabbt i forskningsintresse, och tillgänglig litteratur har expanderat i natura. Insekter bekämpar patogener genom en rad beteendemässiga och fysiologiska immunförsvar. Behovet av robust immunitet är särskilt viktigt för eusociala insekter; Närhet till bokamrater ökar exponeringen för och överföringen av patogener. Vidare involverar eusocialitet sambo mellan tusentals individer med karakteristiskt reducerad genetisk variabilitet, vilket ökar mottagligheten för epidemiska sjukdomsutbrott.

För att bekämpa detta har de utvecklat olika reaktioner på patogener, inklusive individuella medfödda immunförsvar, social immunitet och utsöndring av potenta körtelkemikalier. Social immunitet som används av Hymenoptera har granskats medan en granskning har n; viruseseseseseseses utvecklade till vår kunskap för att adressera medfödd immunitet hos eusociala hymenopteraner mot viruspatogena inkräktare. Vi hävdar att en sådan granskning är viktig för att främja förståelsen av Hymenopterans biologi och är avgörande för tillämpade intressen. Vi hävdar vidare att implikationerna av eusocial Hymenopteran medfödd immunitet är långtgående; deras framgång är en källa till både betydande ekonomisk förlust när det gäller invasiva myror och betydande ekonomisk vinst när det gäller honungsbiet Apis mellifera.

Både insektsimmunologi och human immunologi tillhör den immunologiska grenen av biologi, men de studerar främst olika biologiska system. Insektsimmunologi studerar insekters immunsystem och hur det reagerar på yttre patogener, medan human immunologi studerar människors immunsystem och hur det fungerar för att försvara sig mot yttre patogener. Även om forskningsobjekten för de två är olika, finns det vissa kopplingar mellan de två. Till exempel kan vissa forskningsresultat inom insektsimmunologi ge inspiration och referens för human immunologi, och vissa högeffektiva antimikrobiella peptidmolekyler som finns inom insektsimmunologi kan också användas för att utveckla immunläkemedel för det mänskliga immunsystemet. Dessutom ger insektsimmunologi också några exempel på forskning om interaktionen mellan patogener och värdens immunsystem för human immunologi och ger några referenser för upptäckt och utveckling av nya humana immunläkemedel. I vårt dagliga liv måste vi förbättra vår immunitet. Vi fann att Cistanche kan förbättra immuniteten. Cistanche är rik på en mängd olika antioxidantämnen, såsom vitamin C, karotenoider etc. Dessa ingredienser kan ta bort fria radikaler, minska oxidativ stress och förbättra immunsystemets motståndskraft.

Klicka cistanche tubulosa fördelar

Nyckelord:

immunitet, eusocial Hymenoptera, virus.

Virala patogener är bland de viktigaste och minst välkända av de immunutmaningar som eusociala insekter står inför (Lester et al. 2019). Virus i familjen Solinviviridae är naturliga fiender till de stora eusociala skadeinsekterna, den röda importerade eldmyran Solenopsis invicta (Valles et al. 2004, Valles and Rivers 2019) och den tawny galna myran Nylandria fulva (Hymenoptera: Formicidae et al) (Valles et al. 2004, Valles and Rivers 2019). 2012). Införandet av dessa patogener till invasiva områden är ett område av biologiskt kontrollintresse. Samtidigt plågas honungsbiet Apis mellifera (Hymenoptera: Apidae) av kolonikollapsstörning associerad med virusinfektion (Chejanovsky et al. 2014), och koloniframgång är beroende av förmågan att svara på utmaningar från dessa patogener. Invasiva myrarter är ansvariga för miljarder dollar i förluster årligen för en rad ekonomiska intressen (Lard et al. 2006, Adams 2019).

Omvänt är honungsbiet en av de viktigaste insekterna när det gäller ekonomiskt bidrag, och att upprätthålla sin hälsa som svar på viruspatogener som plågar dem är viktigt för otaliga intressen (Genersch 2010). Den här recensionen bygger på den senaste och växande mängden arbete som beskriver immunsvaren hos eusociala insekter, med primärt intresse fokuserat på det medfödda immunsystemet. Vi börjar med att kortfattat beskriva social immunitet på koloninivå, med särskild uppmärksamhet på försvar i koloniskala. Vi begränsar sedan omfattningen till individnivå, med fokus på det medfödda immunsvaret. Vi presenterar en sammanställning av den ständigt ökande mängden litteratur och forskning om det eusociala medfödda immunsvaret mot virala patogener och erbjuder några nya frågor att följa i framtida arbete inom detta spännande område.

Eusocialitet hos insekter har utvecklats oberoende flera gånger, framför allt i termiter och Hymenoptera (Nowak et al. 2010, Quiñones och Pen 2017). Trots fördelarna med eusocialitet skapar miljön som skapas av gemensamt boende också ett gynnsamt scenario för parasiter och patogener; konstant tillgång på matkällor, närvaro av känsliga omogna och gästvänliga omgivningstemperaturer ger en exceptionell miljö för höga patogener och parasitbelastningar (Feldhaar och Gross 2008). Ökad kontakt mellan bokamrater kan leda till ökade möjligheter till patogenöverföring, och ökad släktskap klassiskt till den eusociala strukturen resulterar i liknande mottaglighet för patogener (Baracchi et al. 2012b). Denna kombination av egenskaper är mycket gynnsam för epidemiska sjukdomsutbrott (Quevillon 2018, Pinilla-Gallego et al. 2020). Av dessa skäl främjade uppkomsten av den eussociala kolonistrukturen behovet av ett starkt svar på en rad inkräktare, både patogena och parasitära. Eusociala insekter möter denna utmaning genom många vägar, från bredskaligt socialt immunsvar till det individuella, kemiskt medierade medfödda immunsvaret.

Eftersom ryggradslösa djur, inklusive eusociala insekter, inte har ett riktigt antikroppsmedierat immunsystem, påverkas deras framgång i hög grad av deras förmåga att fungera som en enhet i immunsvar på koloninivå (social immunitet) och på individnivå via medfödd immunförsvar. svar (Erler et al. 2011, Myllymäki och Rämet 2014, Palmer och Jiggins 2015). Genom historien har en evolutionär "kapprustning" utspelats mellan insektsvärdar och patogenerna som infekterar dem (Erler et al. 2011). Insektsrespons på patogener på immunologisk nivå är ett intresseområde som har studerats väl i myggor och Dipteran-modellorganismen Drosophila (Diptera: Drosophilidae) (Palmer och Jiggins 2015). Det senaste intresset med fokus på immunitet i sociala Hymenoptera återspeglar en växande medvetenhet om deras betydelse för mänskliga intressen.

Social immunitet på superorganismnivå

Termen "social immunitet" syftar på de beteendeanpassningar och modifieringar som bidrar till både individens och koloninivåns försvar mot infektion. Social immunitet är beroende av kolonins samarbete för att undvika, mildra och rensa parasitinfektioner (Cremer et al. 2007, Cremer och Sixt 2009, Erler et al. 2011, Cremer et al. 2018). Sociala insekter uppvisar en imponerande repertoar av dessa beteendemässiga, koloniomfattande immunförsvar. Parningsstrategier kan vara bland de första skydden mot patogenhot; sociala insekts kvinnliga reproduktioner är till stor del monogama och parar sig i en enda händelse, vilket minskar överföringen av patogener och parasiter till de primära reproduktiven och minskar potentialen för vertikal patogenöverföring (Cremer et al. 2007). A. mellifera immunsvar mot inkräktare börjar utanför kolonin med specialiserade gatekeeper-honungsbin stationerade vid kolonins ingång för att neka infekterade eller parasiterade individer tillgång till boet (Waddington och Rothenbuhler 1976, Drum och Rothenbuhler 1985, Cremer et al. 2007).

När den första linjen av checkpointförsvar är otillräcklig för att förhindra fiendens invasion, utplaceras en mängd andra sociala immunsvar inklusive allogrooming för borttagning av parasiter, social feber för att värmedöda bakterier och profylaktiskt upptag av hartser som stöder och ökar kemisk resistens mot infektion. (Cremer et al. 2007). Social feber hos myror (Cremer 2019) och honungsbin (Goblirsch et al. 2020) kan effektivt laga mikroorganismer och parasitära inkräktare, antingen neutralisera eller minska hotet från sådana inkräktare (Sugahara och Sakamoto 2009, Goblirsch et al. 2020).

Antimikrobiella peptider bidrar också i stor utsträckning till både social immunitet och individuellt immunsvar; honungsbigift har antimikrobiella egenskaper när det appliceras på nagelbandet och deponeras i kammen (Baracchi et al. 2011, Baracchi et al. 2012a, Moreau 2013, Simone-Finstrom 2017). Ett liknande fenomen observeras hos utvalda myrarter, där den kutikulära appliceringen av gift verkar ha sanitära implikationer (Tragust et al. 2013, Simone-Finstrom 2017). Hygieniska beteenden, inklusive igenkänning och avlägsnande av sjuka vuxna (Baracchi et al. 2012b) och hygieniskt avlägsnande av ektoparasiter och patogener fungerar som en förebyggande åtgärd i ett brett spektrum av födosökande eusociala Hymenoptera inklusive det västerländska honungsbiet A. mellifera (Bozic och Valentine) 1995), det asiatiska honungsbiet Apis kerana (Hymenoptera: Apidae) (Rath 1999), och lövskärande myror Acromyrmex subterraneus (Hymenoptera: Formicidae) och Acromyrmex octospinosus (Hymenoptera: Formicidae) (Richard et al. 2009).

Även om social immunitet på superorganismnivå är mycket fördelaktig och kritisk i det initiala svaret på patogeninvasion, är det ofta otillräckligt för att övervinna viral patogenicitet i frånvaro av ett medfött immunsvar (Brutscher et al. 2015). Bristen på större histokompatibilitetskomplex, T-receptorer eller immunglobuliner som är karakteristiska för ryggradsdjurs immunsystem leder till ett stort beroende av mekaniska barriärer på individuell nivå för patogener och medfödda (kemiskt medierade) immunsvar. Bland de kända vägarna som är inblandade i eusocial insekts medfödd immunitet mot virala patogener är signalvägarna för immunbrist (Imd), Toll, RNAi och Janus kinas (JAK/STAT), såväl som utsöndringen av antimikrobiella peptider (AMP) (Barribeau et al. al. 2015, Brutscher et al. 2015, Brutscher och Flenniken 2015).

Väg för immunbrist (Imd).

I eusocial Hymenoptera är inblandningen av immunbrist eller Imd-vägen i försvaret mot virus något kryptisk, och den överväldigande majoriteten av forskningen om insekts Imd är begränsad till Drosophila. Imd-vägen spelar en komplex roll i insekters livshistoria och fungerar både som en immunsvarsväg och en viktig regulator i utvecklingen (Erler et al. 2011). I Drosophilas immunsystem ansvarar Imd för regleringen av NF-kB-proteinet Relish (Dushay et al. 1996, Myllymäki och Rämet 2014), och uttryck av majoriteten av Drosophila antimikrobiella peptider (AMP) (Myllymäki et al. 2014).

I Drosophila börjar aktivering av Imd-vägen med igenkännandet av mikrobiella medel, vilket underlättas av upptäckten av patogenassocierade molekylära mönster (PAMP) som är unika för patogenen. Imd-aktivitet är oftast associerad med bakteriella patogener, specifikt gramnegativa och vissa grampositiva bakterier, eftersom PGRP-LC (transmembranreceptor) företrädesvis binder till en mesodiaminopimelinsyra som är unik för bakterier (Kaneko och Silverman 2005, Kleino och Silverman 2014, 2019). Den fungerar som den huvudsakliga receptorn vid initieringen av Imd-vägen vid systemisk infektion, eller vid lokaliserad mellantarmsrespons i den främre delen av mellantarmen vid lokaliserad infektion (Choe et al. 2002, Gottar et al. 2002, ZaidmanRémy et al. 2006 , Myllymäki et al. 2014). Bland de vanliga igenkänningsfaktorerna är peptidoglykan, en strukturell komponent i många bakteriella patogener.

Märkligt nog kan ektopiskt uttryck av PGRP i Drosophila-fettkroppen aktivera uttrycket av antimikrobiella peptider i frånvaro av infektion (Myllymäki et al. 2014). Involvering av Imd-vägen varierar beroende på arten av det smittsamma ämnet; Imd spelar en större roll i Drosophila-försvaret mot Sindbis-virus och Cricket Paralysis Virus än vad Toll gör, medan Imd inte verkar vara särskilt involverad i eliminering av Drosophila C-virus (Brutscher et al. 2015).

Det senaste arbetet stöder implikationen av Imd som svar på virus. Molekylärt arbete med att undersöka viralt immunsvar hos den argentinska myran Linepithema humile (Hymenoptera: Formicidae) avslöjade en gradient av svar på olika typer av patogener. L. ödmjuk transkriptomisk analys av immunsvar mot bakteriell Pseudomonas spp. (Pseudomonadales: Pseudomonadaceae) infektion och L. humile virus 1, medan honungsbipatogenen Black Queen Cell Virus inte framkallade någon större förändring i immunsystemets uttryck (Lester et al. 2019). Relish, en transkriptionsfaktor i Imd-vägen, har klonats och sekvenserats från både Nothomyrmecia macrops (Hymenoptera: Formicidae) och flera Myrmecia-myrarter, och är sannolikt inblandad i ökad utsöndring av antimikrobiella peptider (Schlüns och Crozier 2007, Schluns och Crozier ). Metaanalys av respons på transkriptionsnivå i honungsbiet A. mellifera i exponeringsbehandlingar för varroa-kvalstervektorerade virus visade också differentiellt uttryck av Imd-gener iap2 och rel (Doublet et al. 2017).

Medan eusocial insektsinblandning av Imd i viralt immunsvar förblir något undvikande, ledde nyligen arbete i Drosophila till identifieringen av dreidel, en gen som kodar för ett cirkulerande protein som är inblandat i Imd-dämpning. Deidel har kapats av flera insekts-DNA-virus, vilket undertrycker Imd-vägaktivering i värdens immunsvar mot virusinfektion. Detta ledde i sin tur till upptäckten att kinaset IKK och transkriptionsfaktorn NF-K var avgörande för elimineringen av både Drosophila C-virus och Cricket Paralysis-virus (Imler 2019). Båda dessa virus är medlemmar av den virala familjen Dicistroviridae, till vilken många av de virala patogenerna som hyser eussociala Hymenoptera tillhör.

Toll Pathway

Som är fallet med många insektsimmunvägar, har huvuddelen av arbetet med insekt Toll fokuserat på Drosophila. Tullen är en mycket konserverad väg över släkten och är integrerad i både immunsvaret och utvecklingsprocesserna hos ryggradsdjur och insekter (Evans et al. 2006). Avgiften är oftast inblandad i svamp- och grampositiv immunitet hos insekter, men bevis visar att viralt immunsvar också kan uppstå genom Toll-signalering (Doublet et al. 2017, Rosales och Vonnie 2017, Lester et al. 2019, Baty et al. 2020). I Drosophila initieras Toll av klyvningen av den cytokinliknande transkriptionsfaktorn Spatzle och bindningen av det C-terminala fragmentet av den leucinrika upprepningen (LRR) av Toll (Weber et al. 2007, Lindsay och Wasserman 2014).

När Spatzle binder till Toll LRR dimeriseras Toll och blir aktiv. Efter aktivering dimeriseras Toll/interleukin-1-receptorhomologi (TIR)-domänerna, vilket främjar bindningen av adapterproteinet MyD88 via dess TIR-domän. MyD88 binder sedan adapterproteinröret och rekryterar proteinkinaset Pelle som binder till dödsdomäner. Pelle-rekrytering leder till autofosforylering av Pelle, vilket inducerar nedbrytning av hämmaren Cactus. Nedbrytning av kaktus inducerar frisättning av transkriptionsfaktorer antingen Diff eller Dorsal, som sedan translokeras till kärnan (Lindsay och Wasserman 2014).

Avgiften är också inblandad i immunsvaret hos eusociala Hymenoptera. Noterbart är att det finns två rimliga Spatzle-ortologer uppenbara i honungsbiets genom (GB13503, GB15688) (Evans et al. 2006). Sekvensering av honungsbiets genom avslöjade också två homologer av Drosophila-transkriptionsfaktorn Dorsal och de intracellulära komponenterna Cactin, Pellino, TNF-receptorassocierad faktor-2 och Tollip.

Alla dessa komponenter tros spela stora roller i Toll-banan, och alla verkar finnas i både Drosophila och honungsbiarter (Evans et al. 2006, Doublet et al. 2017). Transkriptionsstudier har implicerat Toll i en komplex roll i viral respons hos honungsbiet; unga bin experimentellt infekterade med Israeli Acute Paralysis Virus (IAPV) uppvisade ökat uttryck av Toll-gener medan mer mogna, naturligt infekterade bin inte visade transkriptionell implikation av Toll (Brutscher et al. 2015, Galbraith et al. 2015). Även om myrans virala immunsvar fortfarande är dåligt förstådd, stödde nyligen arbete i den argentinska myran L. humile också tron ​​att en kärnuppsättning av immungener är involverade i myrans immunsvar mot patogenutmaningen (Lester et al. 2019). Toll pathway NF-kB homolog dorsal-1A inducerades transkriptionellt hos honungsbin av arbetarkast när de parasiterades av kvalstret Varroa, vilket starkt tyder på att Toll är inblandad som svar på Deformed Wing Virus (DWV)-infektion, eftersom Varroa är ansvarig för DWV-överföring till honungsbin (Doublet et al. 2017).

Andra komponenter i Toll-vägen har också identifierats i eussociala Hymenoptera. Transkriptionsfaktorn Relish har klonats och sekvenserats i myrarter Nothomytmecia makron samt flera Myrmecia-arter, (Schluns och Crozier 2009, Johansson et al. 2013, Lindsay och Wasserman 2014). På liknande sätt har Toll-signalvägskomponenterna Toll, Pelle och Dorsal klonats och sekvenserats i Formica aquilegia (Hymenoptera: Formicidae) (Lindsay och Wasserman 2014).

Toll-signalvägen har också varit inblandad i immunsvaret hos globalt invasiva myror på utmaningen av virala patogener. Lester et al, 2019 använde RNA-sekvensanalys för att identifiera virus som infekterar invasiva Hymenopterans. De starkast associerade immungenerna som är involverade i positiv-sens RNA-virusinfektion (Deformed Wing Virus och Linepithema humile virus-1) är peptidigenkänningsproteiner som tilldelas Toll- och Imd-vägarna i den invasiva argentinska myran (Lester et al. 2019) ). Detta tyder på ett starkt löfte om liknande inblandning av Toll-vägen i den röda importerade eldmyrresponsen på Solenopsis invicta-virus, eftersom dessa virus också är enkelsträngade RNA-virus med positiv sensi (Valles et al. 2004).

Antimikrobiella peptider

Antimikrobiella peptider (AMP) är olika, mycket konserverade och avgörande effektorer som finns i en mängd olika immunsystem för ryggradsdjur och ryggradslösa djur. AMPs är inblandade i immunsvaret mot flera patogengrupper och verkar som svar på patogenernas mikrobiella membran. De består i allmänhet av 15–20 aminosyror och klassificeras utifrån deras aminosyrastruktur och sammansättning (Wu et al. 2018). Medan AMP främst är effektorer mot bakteriella patogener, är vissa effektiva som svar på virala utmaningar (Evans och Lopez 2004, Yi et al. 2014, Wu et al. 2018).

Bland dessa finns cecropins, som ursprungligen identifierades och isolerades från hemolymfen från cecropia-fjärilen Hyalophora cecropia (Lepidoptera: Saturniidae) från vilken namnet härrör (Hultmark et al. 1982). Medan cecropiner till stor del är inblandade i försvaret mot grampositiva och gramnegativa bakterier, hämmar cecropin P1 frisättning av viruspartiklar och försvagar virusinducerad apoptos (Schluns och Crozier 2009, Guo et al. 2014, Wu et al. 2018, vilket minskar). viral spridning. Verkningsmekanismen involverar störningar av det virala höljet och visar signifikant hämmande verkan mot frisättning av virala partiklar (Schluns och Crozier 2009, Guo et al. 2014, Wu et al. 2018).

Flera AMPs har identifierats i myror; Defensiner kändes igen via kloning och sekvensering i 25 arter av myrmyrar och 2 Myrmica-arter (Schluns och Crozier 2009). Bland de identifierade AMP-associerade generna finns en som kodar för en serinproteashämmare som kan vara inblandad i immunsignalering (Schluns och Crozier 2009). Två AMPs som liknar hymenopteran och återigen från honungsbiet A. mellifera har identifierats i den röda importerade eldmyran Solenopsis invicta (Tian et al. 2004). Dessa två AMP:er uttrycks starkare hos nyligen dealerade S. invicta-drottningar än hos omade drottningar, vilket tyder på en immunutmaning i samband med parning (Evans et al. 2006). AMP har också identifierats i giftet från vissa myror (Kuhn-Nentwig 2003). Bland dessa finns insuliner som uppvisar likhet med melittin från A. mellifera. Melittin är antimikrobiellt och hemolytiskt (Schluns och Crozier 2009).

Bombus-arter och A. mellifera har visat sig ha kopior av AMP-defensingenerna (1 kopia i Bombus och 2 kopior i A. mellifera) (Barribeau et al. 2015). Även om återigen och hymenopteran är associerade med bakteriellt immunsvar, noterar författarna att den storskaliga nedbrytningen av vävnader i samband med deflation kan utlösa frisättningen av cellbundna mikroorganismer, vilket utlöser frisättningen av AMP som svar (Tian et al. 2004). Ett liknande fenomen kan vara involverat i det virala immunsvaret. Honungsbiet A. mellifera är unikt i sin tillämpning av AMPs som en form av både socialt och molekylärt immunsvar; royalizing är ett insektsdefensin isolerat från honungsbiets kungliga gelé och spelar en roll för immunitet och utveckling (Bílikova et al. 2015). Det bör dock noteras att AMP som identifierats i sociala hymenopteraner har varit inblandade som svar på bakteriella (gram-positiva och gramnegativa) och svamppatogener (Wu et al. 2018). AMP-inblandning i eusocialt Hymenopteran-virusimmunsvar har inte dokumenterats såvitt vi vet, men bevis tyder på att detta kan vara ett spännande område för utforskning (Lester et al. 2019).

RNAi

RNAi, eller RNA-interferens/tystnad, är en mycket konserverad regulatorisk och defensiv väg genom vilken Drosophila och andra insekter bekämpar virusinfektion. RNAi-vägen fortsätter med två huvudsteg, initiering och utförande (Van Rij et al. 2006, Zambon et al. 2006). Vid initiering bearbetas dubbelsträngade RNA (dsRNA) av endoribonukleaser Dicer1 eller Dicer2 till mindre dsRNA-segment med 3' överhängande ändar. De bearbetade, mindre RNA:erna används för initiering av RNAi-exekveringssteg (Zambon et al. 2006, Brutscher och Flenniken 2015, Brutscher et al. 2015). Efter initiering införlivas små RNA-sektioner i RISC, eller RNA-inducerat tystande komplex. Detta innebär att mallsträngen binds till ett Argonaut-protein. Antisenssträngen av de små dsRNA:erna inkorporeras sedan i RISC av protein r2d2 (Schwarz et al. 2004). Den singulära strängen av dsRNA:t som införlivats i RISC genom Argonaut-proteinbindning finns kvar och fungerade som en guide för att lokalisera komplementärt mRNA.

Detta kallas guidesträngen. Bindning till mRNA i cellen är exakt på grund av vägledning genom basparning mellan strängen bunden till RISC och målet. Efter bindning initierar och katalyserar Argonaut klyvningen av det riktade mRNA:t, vilket resulterar i nedbrytning. Processen är liknande när mikroRNA används som guidesträng i Argonaut, men miRNA-guidning kan resultera i oprecis bindning och nedbrytning av större mRNA (Schwarz et al. 2004). Även om det är avgörande för regleringen av flera endogena mRNA, är RNAi-bindning och nedbrytning också involverade i kontrollen av virus och är mycket konserverade i en mängd olika organismer inklusive växter, ryggradslösa djur och vissa bakterier (Robbins et al. 2009).

SiRNA-vägen har varit inblandad i försvaret mot virala patogener i Drosophila och andra insekter. Flockhouse-virusinfektion visade sig vara minimalt virulent mot Drosophila hos vildtypsflugor (50 procent överlevnad 15 dagar efter infektion), medan Dicer-2 mutantflugor visade 60 procent dödlighet 6 dpi och 95 procent vid 15 dpi (Wang et al. . 2006). SiRNA-vägen är mycket konserverad och är också inblandad i det sociala Hymenopteran-virala immunsvaret. Majoriteten av virala patogener som infekterar det sociala Hymenopteran honungsbiet A. mellifera är RNA-virus i familjerna Dicistroviridae och Iflaviridae (Niu et al. 2014). Djupsekvensering utförd på kolonier som lider av kollapsstörningar identifierade rikligt med 21-22 nukleotid-siRNA med perfekt sekvensmatchning med israeliskt akut paralysvirus (IAPV), kashmirbivirus, deformerat vingvirus (DWV) (Hunter et al. 2010), och A. mellifera rhabdovirus-1 och -2 (McMenamin och Flenniken 2018). Reduktion av viral titer för IAPV och DWV demonstrerades, vilket stöder påståendet att siRNA-vägen är inblandad i viralt immunsvar som i Drosophila (Hunter et al. 2010). Liknande resultat observerades när israeliska och amerikanska honungsbikolonier experimentellt utmanades med de åtta olika virala arterna (Chejanovsky et al. 2014).

På liknande sätt framkallade honungsbikolonierna i Florida och Pennsylvania ett betydande skydd mot de negativa effekterna av IAPV från homolog dsRNA-exponering (Hunter et al. 2010). Ökat uttryck av dicer och argonaut-2 inträffade vid exponering för både ett experimentellt modellvirus (Brutscher et al. 2017) och för patogenen Israeli Acute Paralysis Virus (IAPV) i honungsbiet (Galbraith et al. 2015). A. cerana-larver som behandlats med dsRNA specifikt för kinesiskt Sacbrood-virus resulterade också i en minskning av viral titer av viruset som finns i provtagna kolonier (Brutscher et al. 2015, Brutscher och Flenniken 2015). Dessa resultat är sannolikt relevanta för intressen för invasiv myrrespons på virala patogener, eftersom många patogener som infekterar invasiva myror är, eller tidigare, klassificerades som medlemmar av den virala familjen Dicistroviridae (Lester et al. 2019, Baty et al. 2020).

JAK/STAT

I Drosophila inkluderar JAK/STAT (Janus kinas/signalomvandlare och transkriptionsaktivator) vägligander tre cytokinliknande proteiner benämnda oparade (upp), oparade2 (upd2) och oparade3 (upd3). Alla induceras av vävnadsskada. Upd induceras av det bakteriella immunsvaret, men upd2 och upd3 induceras som ett svar på viruspatogendetektion. Som svar på den patogena invasionen binder var och en av up-molekylerna specifikt till en unik receptor som kallas Domeless. I Drosophila finns en JAK (Avadhanula et al. 2009) och en STAT-transkriptionsfaktor, hopscotch respektive Stat92E.

Som svar på bindningen av en cytokin till en receptor dimeriserar receptorn och aktiverar JAK. De aktiverade JAK:erna fosforylerar sedan varandra såväl som specifika tyrosinrester på receptorn, som sedan fungerar som dockningsställen för Src-homologi 2-domänerna i STAT-molekylen. STATs fosforyleras också av JAK, vilket gör att de kan dimeriseras och translokeras till kärnan för att fungera som promotorer för deras målgener (Myllymäki och Rämet 2014).

JAK/STAT-vägen hos insekter har bäst studerats i Drosophila, som plågas av flera virala naturliga fiender. Som är fallet i insektssvaret på andra patogener, involverar Drosophila-immunsvaret mot virala patogener överhörning mellan flera system, inklusive Toll och JAK/STAT. Immunsvarsgener som induceras av svamp- och bakteriepatogeninkräktare skiljer sig från de som induceras av virus, vilket tyder på ett specifikt svarssystem skräddarsytt för de inkräktare som de riktar sig till (Myllymäki och Rämet 2014). Det har också noterats att många gener aktiveras av JAK/STAT-vägen som svar på Drosophila C-viruset, och virusmängd och dödlighet ökar med brister i denna väg (Myllymäki och Rämet 2014).

Det har visats att Drosophila-uttryck av cytokinerna Upd2 och Upd3 är starkt inducerade efter infektion med Cricket Paralysis Virus (familjen Dicistroviridae) (Lamiable och Imler 2014). Detta är relevant för immunstudier hos invasiva myror och honungsbin, eftersom många av patogenerna som infekterar dessa eussociala Hymenoptera är medlemmar av Dicistroviridae. Eldmyrpatogenerna Solenopsis invicta-virus placerades ursprungligen inom samma virusfamilj (Valles et al. 2004) och kunde svara på liknande sätt som den mycket mer grundligt studerade modellen Drosophila. Vidare är siRNA- och JAK/STAT-vägarna involverade i korssamtal med varandra som svar på patogen invasion (Niu 2015), och JAK/STAT har varit inblandad i viralt immunsvar i Hymenopteran Bombus terrestris, den buff-tailed humla.

För att utvärdera inblandningen av JAK/STAT i B. terrestris virala immunsvar, tystade Niu, 2015 nyckelkomponenten JAK/STAT Hop före inokulering med det israeliska akuta paralysviruset (IAPV) och det långsamma biförlamningsviruset (SPBV). Denna studie visade inget signifikant samband mellan IAPV-titer jämfört med de oinfekterade kontrollbina, men det fanns en signifikant ökning av SPBV-virustiter två dagar efter infektion, vilket tyder på en tidsmässig komponent till JAK/STAT-signalering i viralt immunsvar i B. terrestris (Niu) 2015) (Suppmaterial [endast online]).

Slutord

Sociala Hymenopteras immunsvar på utmaningen av de virala patogener som infekterar dem är ett dynamiskt, mångfacetterat ämne som först nyligen har börjat retas isär. Allteftersom sådana forskningsansträngningar har fortskridit inser man allvaret och betydelsen av medfödd immunitet mot ekonomiska intressen av biologisk mångfald. Eusocial Hymenoptera är ekologiskt och ekonomiskt betydelsefull både i skadlig och bidragande kapacitet. Bland dessa är honungsbiet A. mellifera en av de mest ekonomiskt fördelaktiga insekterna i mänskligt jordbruk, och bidrar årligen med miljarder US-dollar på global skala (Brutscher et al. 2015, Popovska Stojanov et al. 2021). Trots honungsbiets förbluffande viktiga roll och bevarandeinsatser för att bevara dem, dör uppåt 30 procent av USA:s kolonier årligen, med många av dessa förluster som tillskrivs Colony Collapse disorder (CCD) (Brutscher et al. 2015, McMenamin och Genersch 2015, McMenamin och Flenniken 2018).

Eftersom denna främsta pollinator fortsätter att härjas av virussjukdomar, blir behovet av ytterligare forskning om det medfödda immunsystemet alltmer uppenbart. På den motsatta änden av intressespektrat finns invasiva myrarter. Invasiva myror är exceptionellt framgångsrika, till den grad att de orsakar betydande ekonomiska förluster och förluster av biologisk mångfald. Med detta i åtanke har sökandet efter säkra, effektiva, värdspecifika och självförökande biologiska kontrollmedel för att bekämpa invasiva myror lett till identifieringen av flera virala naturliga fiender som anses vara lovande biologiska kontrollmedel. Även om den virala naturliga fiendens applikation är ett spännande forskningsområde, är en förståelse för värd-agensinteraktioner och värdens immunsvar mot patogenen avgörande för framgång med biologisk kontroll. När effekterna av virala patogener som infekterar de eusociala insekterna blir allt tydligare, blir förståelsen av viruspatogenutmaningen allt mer relevant för både forskningsvetenskap och jordbruk.

Immunitet inducerad av även närbesläktade patogener är mycket varierande och något inkonsekvent över taxa, och de fullständiga implikationerna av dessa svar kan bara projiceras för närvarande. Virus kan hämma induktionen av vissa vägar, och immunsvaret mot till och med närbesläktade virala naturliga fiender kan variera avsevärt mellan taxa. Intressant är också observationen att, särskilt hos myror, vissa vägar är effektiva mot vissa virus men inte andra; vissa gener var positivt korrelerade med en viral utmaning hos argentinska myror, medan andra var negativt korrelerade. Insektsimmunsvaret på viruspatogeninvasion är ett studieområde som fortfarande ger rikliga möjligheter för ny forskning, särskilt när det gäller patogenbaserade biologiska kontrollmetoder för skadeinsekter. Ytterligare nya arbeten har belyst rollerna för överförbara RNA (Maori et al. 2019), transgenerationell immunpriming (Amiri et al. 2020) och värmechockproteiner (McMenamin et al. 2020) i både social och medfödd immunitet. Det finns utan tvekan mycket att lära om immunsvaret mot virala patogener i eusociala Hymenoptera; framtiden är ljus för detta spännande studieområde.

Erkännanden

Detta projekt finansierades av Texas A&M University Invasive Ant Research and Management Seed Grant-programmet.

Referenser Citerade

1. Adams, C. 2019. Jordbruks- och medicinska effekter av de importerade eldmyrorna. Eldmyror och lövskärande myror, CRC Press, s. 48–57.

2. Amiri, E., J. J. Herman, M.K. Strand, D.R. Tarpy och O. Rueppell. 2020. Äggtranskriptomprofilen svarar på moderns virusinfektion hos honungsbin, Apis mellifera. Infektera. Genet. Evol. 85: 104558.

3. Avadhanula, V., B.P. Weasner, G.G. Hardy, J.P. Kumar och R.W. Hardy. 2009. Ett nytt system för lansering av alfavirus-RNA-syntes avslöjar en roll för Imd-vägen i leddjurs antivirala svar. Plos Pathog. 5: e1000582.

4. Baracchi, D., S. Francese och S. Turillazzi. 2011. Bortom det predatoriska försvaret: honungsbigift fungerar som en komponent i social immunitet. Toxikon. 58: 550–557.

5. Barachi, D., G. Mazza och S. Turillazzi. 2012a. Från individuell till kollektiv immunitet: giftets roll som ett antimikrobiellt medel i Stenogastrinae getingsamhällen. J. Insect Physiol. 58: 188–193.

6. Baracchi, D., A. Fadda och S. Turillazzi. 2012b. Bevis för antiseptiskt beteende mot sjuka vuxna bin i honungsbisamhällen. J. Insect Physiol. 58: 1589–1596.

7. Barribeau, S. M., B. M. Sadd, L. du Plessis, M. J. Brown, S. D. Buechel, K. Cappelle, J. C. Carolan, O. Christiaens, T. J. Colgan och S. Erler. 2015. En försvagad immunrepertoar föregår utvecklingen av socialitet hos bin. Genome Biol. 16:1–21.

8. Baty, J.W., M. Bulgarella, J. Dobelmann, A. Felden och P.J. Lester. 2020. Virus och deras effekter på myror (Hymenoptera: Formicidae). Myrmecological News 30:213–228.

9. Bílikova, K., S.C. Huang, I.P. Lin, J. Šimuth och C.C. Peng. 2015. Struktur och antimikrobiell aktivitet relation av royalizing, en antimikrobiell peptid från kunglig gelé av Apis mellifera. Peptider. 68: 190–196.

10. Bozic, J. och T. Valentincic. 1995. Kvantitativ analys av socialt grooming-beteende hos honungsbiet Apis mellifera carnica [självrengörande, grooming-dans, ektoparasit]. Apidologie, Frankrike.

11. Brutscher, L. M. och M. L. Flenniken. 2015. RNAi och antiviralt försvar i honungsbiet. J. Immunol. Res. 2015: 941897.

12. Brutscher, L.M., K.F. Daughenbaugh och M.L. Flenniken. 2015. Antivirala försvarsmekanismer hos honungsbin. Curr. Opin. Insect Sci. 10: 71–82.

13. Brutscher, L.M., K.F. Daughenbaugh och M.L. Flenniken. 2017. Virus- och dsRNA-utlösta transkriptionssvar avslöjar nyckelkomponenter i honungsbiets antivirala försvar. Sci. Rep. 7: 1–15.

14. Chejanovsky, N., R. Ophir, M. S. Schwager, Y. Slabezki, S. Grossman och D. Cox-Foster. 2014. Karakterisering av virala siRNA-populationer i honungsbikolonikollapsstörning. Virologi. 454-455: 176–183.

15. Choe, K. M., T. Werner, S. Stöven, D. Hultmark och K. V. Anderson. 2002. Krav på ett peptidoglykanigenkänningsprotein (PGRP) i Relish-aktivering och antibakteriella immunsvar i Drosophila. Vetenskap. 296: 359-362.

16. Cremer, S. 2019. Social immunitet hos insekter. Curr. Biol. 29: R458–R463.

17. Cremer, S. och M. Sixt. 2009. Analogier i utvecklingen av individuell och social immunitet. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 364: 129–142.

18. Cremer, S., S. A. Armitage och P. Schmid-Hempel. 2007. Social immunitet. Curr. Biol. 17: R693–R702.

19. Cremer, S., C. D. Pull och M. A. Fürst. 2018. Social immunitet: uppkomst och utveckling av sjukdomsskydd på koloninivå. Annu. Rev. Entomol. 63: 105–123.

20. Doublelet, V., Y. Poeschl, A. Gogol-Döring, C. Alaux, D. Annoscia, C. Aurori, S. M. Barribeau, O. C. Bedoya-Reina, M. J. Brown och J. C. Bull. 2017. Enhet i försvaret: honungsbiarbetare uppvisar konserverade molekylära svar på olika patogener. BMC Genomics 18: 1–17.

21. Drum, N.H. och W.C. Rothenbuhler. 1985. Skillnader i icke-stickande aggressiva reaktioner hos arbetarhonungsbin på sjuka och friska bin i maj och juli. J. Apicult. Res. 24: 184–187.

22. Dushay, M. S., B. Asling och D. Hultmark. 1996. Ursprung till immunitet: relish, en förening Rel-liknande gen i det antibakteriella försvaret av Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. U. SA 93: 10343–10347.

23. Erler, S., M. Popp och H. M. Lattorff. 2011. Dynamik av immunsystemets genuttryck vid bakteriell utmaning och sår hos en social insekt (Bombus terrestris). Plos ett. 6: e18126.

24. Evans, J.D., K. Aronstein, Y.P. Chen, C. Hetru, J.L. Imler, H. Jiang, M. Kanost, G.J. Thompson, Z. Zou och D. Hultmark. 2006. Immunvägar och försvarsmekanismer hos honungsbin Apis mellifera. Insekt Mol. Biol. 15: 645–656.

25. Evans, J.D. och D.L. Lopez. 2004. Bakteriell probiotika inducerar ett immunsvar hos honungsbiet (Hymenoptera: Apidae). J. Econ. Entomol. 97: 752–756.

26. Feldhaar, H. och R. Gross. 2008. Immunreaktioner hos insekter på bakteriella patogener och mutualister. Mikrober infekterar. 10: 1082–1088.

27. Galbraith, D.A., X. Yang, E.L. Niño, S. Yi och C. Grozinger. 2015. Parallella epigenomiska och transkriptomiska svar på virusinfektion hos honungsbin (Apis mellifera). Plos Pathog. 11: e1004713.

28.Genersch, E. 2010. Honungsbipatologi: aktuella hot mot honungsbin och biodling. Appl. Microbiol. Biotechnol. 87: 87–97.

29. Goblirsch, M., J. F. Warner, B. A. Sommerfeldt och M. Spivak. 2020. Social feber eller allmänt immunsvar? Återbesök ett exempel på social immunitet hos honungsbin. Insekter 11: 528.

30. Gottar, M., V. Gobert, T. Michel, M. Belvin, G. Duyk, J.A. Hoffmann, D. Ferrandon och J. Royet. 2002. Drosophila-immunsvaret mot gramnegativa bakterier medieras av ett peptidoglykanigenkänningsprotein. Natur. 416: 640–644.

31. Guo, C., Y. Huang, P. Cong, X. Liu, Y. Chen och Z. He. 2014. Cecropin P1 hämmar porcint reproduktions- och respiratoriskt syndromvirus genom att blockera fäste. BMC Microbiology 14: 1–11.

32. Hultmark, D., A. Engström, H. Bennich, R. Kapur och H. G. Boman. 1982. Insektsimmunitet: isolering och struktur av cecropin D och fyra mindre antibakteriella komponenter från Cecropia pupae. Eur. J. Biochem. 127: 207–217.

33. Hunter, W., J. Ellis, D. Vanengelsdorp, J. Hayes, D. Westervelt, E. Glick, M. Williams, I. Sela, E. Maori, J. Pettis, et al. 2010. Storskalig fälttillämpning av RNAi-teknik som minskar israelisk akut paralysvirussjukdom hos honungsbin (Apis mellifera, Hymenoptera: Apidae). Plos Pathog. 6: e1001160.

34. Imler, J.-L. 2019. Insektsreservoaren av mångfald för virus och antivirala mekanismer. Comptes Rendus Biologies 342: 260–262.

35.Johansson, H., K. Dhaygude, S. Lindström, H. Helanterä, L. Sundström och K. Trontti. 2013. En metatranskriptomisk metod för identifiering av mikrobiota associerad med myran Formica förväntar sig. Plos ett. 8: e79777.

36. Kaneko, T. och N. Silverman. 2005. Bakteriell igenkänning och signalering av Drosophila IMD-vägen. Cell. Microbiol. 7: 461-469.

37. Kleino, A. och N. Silverman. 2014. Drosophila IMD-vägen i aktiveringen av det humorala immunsvaret. Dev. Comp. Immunol. 42:25–35.

38. Kleino, A. och N. Silverman. 2019. Reglering av Drosophila Imd-vägen genom att signalera amyloider. Insect Biochem. Mol. Biol. 108: 16–23.

39.Kuhn-Nentwig, L. 2003. Antimikrobiella och cytolytiska peptider av giftiga leddjur. Cell. Mol. Life Sci. 60: 2651-2668.

40. Lamiable, O. och J.L. Imler. 2014. Inducerad antiviral medfödd immunitet i Drosophila. Curr. Opin. Microbiol. 20: 62–68.

41. Lard, C. F., J. Schmidt, B. Morris, L. Estes, C. Ryan och D. Bergquist. 2006. En ekonomisk påverkan av importerade eldmyror i USA. Texas A&M University, Institutionen för jordbruksekonomi, Texas Agricultural Experiment Station, College Station, TX.

42. Lester, P.J., K.H. Buick, J.W. Baty, A. Felden och J. Haywood. 2019. Olika bakteriella och virala patogener utlöser

For more information:1950477648nn@gmail.com