Склад та функціональна роль мікробіоти кишечника у комарів

Майкл Р. Странд

Департамент ентомології, Університет Джорджії, Афіни, штат Джорджія, 30602, Сполучені Штати Америки

Анотація

За оцінками, у всьому світі існує 3500 видів комарів (сімейство Culicidae), серед яких кілька відомих переносників патогенних мікроорганізмів, що викликають захворювання у людей та інших хребетних. Комарі також містять спільноти мікробів у своєму травному тракті, які утворюють мікробіоти кишечника. Недавні дослідження дають важливу інформацію про те, як комарі набувають мікробіоти кишечника та спільноту мікробів. Результати також вказують на те, що мікробіота кишечника впливає на кілька аспектів біології комарів. В цілому ці наслідки впливають на придатність комарів з потенційними наслідками для поширеності хвороби.

Вступ

Усі комарі є водними під час ювенільних стадій, а також наземними, як дорослі [1]. Личинки переважно споживають органічний детрит, одноклітинні організми та дрібних безхребетних, тоді як дорослі особини обох статей зазвичай харчуються позаквітковими нектарами [2,3]. Дорослі самки також зазвичай харчуються хребетними, що забезпечує поживні речовини для виробництва яєць, але може призвести до передачі патогенних мікроорганізмів між господарями [1]. Дослідження на початку 1900-х рр. Зазначають, що у личиночних та дорослих стадіях комарів у шлунково-кишковому тракті є спільноти позаклітинних мікробів, які утворюють мікробіоти кишечника [4–6]. Однак лише за останні 10 років ці мікробні спільноти та їх роль у біології комарів були вивчені ширше. Результати, підсумовані в кількох недавніх оглядах, показують, що мікробіота кишечника дорослих комарів може як позитивно, так і негативно впливати на компетентність переносника, що стосується здатності самок отримувати, підтримувати та передавати збудників хребетних [7–10]. Цей короткий підсумок зосереджується на тому, як комарі набувають мікробіоти кишечника, склад спільноти та відомі наслідки для розвитку личинок та фізіології дорослих.

Набуття мікробіоти кишечника личинками комарів

Культурні дослідження спочатку припускали, що личинки комарів викидають свою мікробіоти кишечника в меконій під час метаморфозу, а дорослі виходять зі стадії лялечки з невеликою кількістю кишкових мікробів або без них [29]. Ці результати також пропонували дорослим знову придбати мікробіоти кишечника, поглинаючи воду з місця проживання личинок та/або харчуючись такими ресурсами, як екстрафлорні нектари. Однак контрольовані експерименти в поєднанні з аналізом складу кишкової спільноти дають вагомі докази того, що личинки Aedes та Anopheles трансстадіально передають частину своєї мікробіоти кишечнику дорослим [13, 30, 31]. Однак після цього мікробіота кишечника дорослої людини може змінюватися через споживання мікробів, що містять воду, нектар або інші джерела їжі [32–35]. У крові хребетних зазвичай міститься мало або взагалі немає мікробів, але кілька досліджень показують, що споживання кров'яного борошна постійно або тимчасово змінює склад мікробіоти кишечника через зміни окисно-відновного стану або метаболізму [35–41]. Інфікування різними переносниками патогенних мікроорганізмів може також впливати на склад мікробіоти кишечника через невідомі механізми [26, 41–44].

Склад мікробіоти кишечника

За винятком рідкісних послідовностей читання, більшість досліджень вказують на те, що різноманітність бактерій у кишці комарів низька (≤200 видів) порівняно з хребетними [12]. Однак оцінки різноманітності комарів порівнянні з іншими голометабольними комахами, які набувають мікробіоти кишечника з навколишнього середовища [11, 49]. Повідомлялося про відмінності у різноманітті бактеріальних видів між личинковими стадіями Culex quinquefasciatus [60]. Далі дослідження Aedes aegypti показують, що значна кількість бактерій у кишечнику гине наприкінці кожного періоду перед линькою, що забезпечує можливість зміни складу кишкового співтовариства в наступний етап [61]. Інші закономірності відзначають, що різноманітність видів бактерій у личинок комарів стабільно вища, ніж у дорослих [13, 15, 18, 47], і що різноманітність менша у лабораторних вирощених порівняно з польовими комарами того ж виду [13, 14, 35].

Функціональна роль мікробіоти кишечника у личинок комарів

Кілька ранніх досліджень повідомили, що личинки комарів демонструють вищу смертність та/або затримку росту до стадії лялечки, коли чисельність мікробів у водному середовищі існування зменшується [4, 5, 19]. Зовсім недавно також повідомлялось про збільшення смертності та затримку росту при лікуванні личинок антибіотиками [66, 67], тоді як інокуляція личинок певними бактеріями або дріжджами сприяла зростанню [68, 69]. Ці висновки в сукупності свідчать про позитивну роль мікробіоти кишечника у розвитку личинок комарів, хоча використовувані підходи не дають уявлення про механізми, що беруть участь. Лікування антибіотиками також не повністю усуває мікробіоти кишечника через високий рівень стійкості у кількох членів бактеріального співтовариства та нечутливість членів спільноти еукаріотів [47].

Як варіант, при поверхневій стерилізації яєць утворюються аксенові личинки без мікробіоти кишечника, яких потім можна годувати стерильним раціоном та/або інокулювати відомими мікробами для отримання личинок гнотобіотиків [13]. Такий підхід показав, що аксенний Ae. aegypti першої інстанції споживає стандартну дієту для вирощування, як звичайні (нестерильні) личинки, але не росте, що призводить до того, що личинки гинуть через кілька днів як перші інстанції [13]. На противагу цьому, кишкова паличка та кілька інших видів бактерій визначені членами кишкової спільноти в різних популяціях Ae. aegypti [13, 48] колонізують середню кишку аксенових личинок і рятують ріст, тоді як мертві бактерії ні [13]. Аксенні личинки з польових зібраних популяцій Ae. aegypti, а також деякі інші види комарів надалі виявляють однакові реакції [13, 18, 47], що в цілому припускає, що декілька комарів потребують живих бактерій у кишечнику як личинки для росту та линьки.

Розглядаючи, як бактерії можуть сприяти росту, останні дослідження показують, що Ae. Личинки aegypti, інокульовані змішаною спільнотою бактерій або E. coli дикого типу, виявляють помітно нижчий рівень кисню в кишечнику в середній кишці (гіпоксія), ніж лисиці осики або личинки гнотобіотиків з бактеріями, дефектними для аеробного дихання [61]. Це припустило, що бактерії в середній кишці викликають реакцію гіпоксії кишечника, яка може функціонувати як сигнал росту. Функціональні тести, що підтверджують цю гіпотезу, включають висновок про те, що гіпоксія кишечника активує індуковані гіпоксією фактори транскрипції (HIF) в Ae. личинки aegypti, що призводить до активації шляху інсулін/фактор росту інсуліну, відбирають активовані мітогеном кінази та інші процеси з основними функціями росту [61, 70] (рис. 1). Аналіз транскриптома також визначає кілька генів з функціями травлення та засвоєння поживних речовин як додаткові мішені, які потенційно регулюються мікробіотою кишечника або індукованою мікробіотою гіпоксією [71].

Схема, що ілюструє відомий вплив мікробіоти кишечника на ріст личинок та засвоєння поживних речовин. А. Коли живі мікроби присутні в просвіті середньої кишки, рівень кисню в кишечнику падає нижче 5%, HIF-α стабілізується з отриманням сигналу HIF, що стимулює: 1) проліферацію та диференціювання стовбурових клітин кишечника (ISC) в ендокринні клітини (EE) та ентероцити, 2) сигналізація про фактор росту інсулін-інсулін (IIS), 3) сигналізація про активовану мітогеном кіназу (MAPK) та 4) біосинтез та транспорт нейтральних ліпідів (NL) ентероцитами середньої кишки (ЕК) до жирового тіла. B. Коли живі мікроби відсутні в просвіті середньої кишки, рівень кисню в кишечнику залишається вище 5%, що пов'язано з відсутністю стабілізації HIF-α та: 1) відсутністю проліферації ISC, 2) відсутністю активації IIS, 3) відсутністю активація передачі сигналів MAPK, і 4) біосинтез нейтральних ліпідів в ЕК, але відсутність транспорту до жирового тіла.

Вплив мікробіоти кишечника на функцію середньої кишки у дорослих комарів

Окрім впливу на такі показники компетентності та фізичної форми, як розмір та плодючість, кілька досліджень вказують, що мікробіота кишечника також впливає на функцію середньої кишки у дорослих комарів. Сюди входять докази, засновані на пероральному лікуванні антибіотиків дорослої людини А. gambiae, що мікробіота кишечника впливає на експресію імунного гена в середній кишці [50]. Лікування антибіотиками дорослого Ан. coluzzi також припускають, що мікробіота кишечника необхідна для утворення перитрофічного матриксу навколо болюсу крові після годування кров’ю [41]. У свою чергу, відключене утворення перитрофічного матриксу дозволяє бактеріям контактувати з клітинами середньої кишки, що може зіграти роль у зміненій експресії імунних генів та підвищеному ризику системного зараження мікробами кишечника [41]. Інші результати вказують на мікробіоти кишечника в перетравленні кров’яного шроту або безпосередньо через гемолітичну активність деяких членів спільноти, або опосередковано, впливаючи на функцію середньої кишки [76].

Висновки

На додаток до впливу на компетентність переносника, поточні результати вказують, що мікробіота кишечника впливає на ріст личинок, фізичну форму дорослих та відбирає інші ознаки, які, ймовірно, впливають на популяції переносників та поширеність захворювання. Результати, опубліковані за останні десять років, суттєво покращують розуміння того, як комарі набувають мікробіоти та кишковий склад кишечника, але з упередженням до вивчення бактерій. Потрібна додаткова інформація про ідентичність та різноманітність одноклітинних еукаріотів у кишці комарів, а також дослідження, які починають вивчати взаємодію певних мереж мікробів, стабільність різних спільнот та їх вплив на придатність комарів. Також невідомо, як дієта комарів, середовище існування та інші фактори формують склад мікробіоти кишечника. Хоча кілька останніх статей вказують на те, що мікробіота кишечника позитивно впливає на фізіологію комарів, розуміння основних механізмів залишається недостатньо вивченим. Для вирішення цієї проблеми потрібні додаткові експериментальні дані, які формально вивчають, як мікробіота кишечника впливає на ріст та інші фізіологічні процеси, а також на функцію окремих членів спільноти в цих процесах.

Подяки

Написання цього резюме та деяких повідомлених результатів було підтримано грантом Національного інституту охорони здоров’я (R01AI106892) та Національного наукового фонду (IOS 1656236).

Виноски

Заява видавця: Це PDF-файл нередагованого рукопису, який прийнято до друку. Як послуга для наших клієнтів ми надаємо цю ранню версію рукопису. Рукопис пройде копіювання, набір версій та перегляд отриманого доказу, перш ніж він буде опублікований у остаточній формі. Зверніть увагу, що під час виробничого процесу можуть бути виявлені помилки, які можуть вплинути на вміст, і всі юридичні застереження, що стосуються журналу, стосуються.

Посилання та рекомендована література

Статті, що представляють особливий інтерес, опубліковані протягом періоду огляду, були виділені як: