Karakterisatie van twee orexine receptor-orthologen bij Bombus terrestris
Ook hommels hebben een allatotropine receptor
Neuropeptiden zijn kleine hormonen die afgescheiden worden door de hersenen. Ze kunnen gezien worden als signalen die de hersenen gebruiken om te communiceren met de rest van het lichaam. Bij dieren sturen deze neuropeptiden diverse fysiologische reacties zoals bijvoorbeeld het hongergevoel of paargedrag. Neuropeptiden zijn betrokken bij alle processen in het leven van insecten en andere dieren, zoals de ontwikkeling, het metabolisme en de voortplanting.
Een probleem met neuropeptiden, en tevens ook andere extracellulaire signalen, is dat deze bij insecten terecht komen in een extracellulaire vloeistof die te vergelijken is met het bloed bij zoogdieren. Deze signalen komen hierdoor niet terecht in de cellen die de reacties moeten uitvoeren aangezien ze worden tegengehouden door de ondoorlaatbare celmembraan. Dit is een probleem want cellen kunnen enkel reageren op het signaal als dit signaal wordt doorgegeven naar het intracellulaire cytosol, waar de cellulaire reacties plaatsvinden. Op deze plaats zal dus het signaal omgezet worden tot een fysiologische reactie.
Om deze barrière te overbruggen bedacht moeder natuur een oplossing; namelijk de transmembraanreceptoren. Transmembraanreceptoren zijn eiwitten die de celmembraan overspannen en een uitwendig signaal, zoals neuropeptiden, kunnen doorgeven tot in het cytosol. Een speciale soort transmembraanreceptor zijn de G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCR). Deze receptoren detecteren de aanwezigheid van een neuropeptide en geven dit signaal door naar G-proteïnen die gelegen zijn in het inwendige milieu van de cellen. Deze G-proteïnen geven het signaal vervolgens door aan verschillende andere eiwitten die op hun beurt weer andere eiwitten zullen activeren of deactiveren tot uiteindelijk het signaal beëindigd wordt. Hierdoor wordt een aanvankelijk zwak signaal binnen de cel versterkt. Dit fundamenteel biologisch proces wordt signaaltransductie genoemd.
GPCRs zijn erg specifieke receptoren. Een neuropeptide van één diersoort lokt niet altijd een reactie uit bij receptoren van een andere diersoort. Tevens werkt minstens 30% van de geneesmiddelen in op GPCRs. Indien GPCRs niet specifiek zouden zijn zouden deze geneesmiddelen vele nevenreacties uitlokken, die in de meeste gevallen niet gewenst zijn of zelfs soms levensbedreigend zijn.
GPCRs zijn erg belangrijk bij zowel mens als dier. In 2012 kregen Robert J. Lefkowitz en Brian K. Kobilka zelfs de nobelprijs voor chemie voor hun onderzoek naar GPCRs.
Bij insecten is de ontwikkeling van geneesmiddelen minder belangrijk. Maar het onderzoek naar neuropeptiden en hun GPCRs kan echter belangrijke gevolgen hebben voor de ontwikkelen van pesticiden. Het probleem van hedendaagse pesticiden is dat deze vaak niet alleen de gewenste insecten doden, maar ook andere insecten die juist wel nuttig zijn. Omdat GPCRs zo soortspecifiek zijn, zijn deze receptoren ideale doelwitten omdat ze alleen een effect hebben bij de pestsoort, en minder bij andere insectensoorten.
Een voorbeeld van een neuropeptide is allatotropine. Allatotropine kan bij verschillende soorten verschillende reacties uitlokken. Zo stimuleert het bij verschillende insectensoorten de productie van juveniel hormoon, dat betrokken is bij de vervelling van insecten. Bovendien heeft allatotropine ook andere functies. Zo kan het bijvoorbeeld de hartslag doen verhogen, kan het contracties in de voordarm stimuleren en speelt het zelfs een rol bij het dag- en nachtritme.
Bij de hommel kan de aanwezigheid van allatotropine een bepalende rol spelen. Hommels zijn sociale insecten waarbij iedere hommel een verschillende taak toegewezen krijgt. Zo zal de ene hommel de taak op zich nemen om voedsel te gaan zoeken terwijl een andere hommel in het nest blijft om voor de jongen te zorgen. Deze taakverdeling wordt onder andere gereguleerd door juveniel hormoon, waarvan de productie dus gestimuleerd wordt door allatotropine. Tot voor kort dacht men dat de vliesvleugeligen, waartoe de hommels en de bijen behoren, geen allatotropine konden produceren. Pas in 2012 werd het allatotropine gen ontdekt bij hommels en bijen. Maar zonder receptor kan allatotropine natuurlijk geen effect veroorzaken. Daarom is het belangrijk om aan te tonen dat ook de receptor aanwezig is.
Na een grondige analyse en met behulp van bio-informatica werd een allatotropine receptor gen voorspeld bij de hommel Bombus terrestris. Met behulp van een speciale techniek waarbij een lichtsignaal geproduceerd wordt indien de receptor geactiveerd wordt, hebben wij aangetoond dat deze GPCR receptor inderdaad geactiveerd wordt door allatotropine. Bovendien hebben we ook aangetoond dat deze receptor het meest voorkomt in de mannelijke accessorische klieren. Deze klieren produceren een vloeistof die gemengd wordt met sperma en het zal beschermen, wat erop kan wijzen dat allatotropine een rol vervult in de mannelijke vruchtbaarheid.
Bibliografie
Referenties
1. Literatuur
Adams, M.D., Celniker, S.E., Holt, R.A., Evans, C.A., Gocayne, J.D., Amanatides, P.G., Scherer, S.E., Li, P.W., Hoskins, R.A., Galle, R.F., George, R.A., Lewis, S.E., Richards, S., Ashburner, M., Henderson, S.N., Sutton, G.G., Wortman, J.R., Yandell, M.D., et al. (2000) - The Genome Sequence of Drosophila melanogaster. Science, 287(5461): 2185-2195.
Beets, I., Lindemans, M., Janssen, T. and Verleyen, P. (2011) - Deorphanizing G protein-coupled receptors by a calcium mobilization assay. Methods Mol Biol. 789: 377-391.
Borovsky, D., Carlson, D.A., Hancock, R.G., Rembold, H.and van Handel, E. (1994) - De novo biosynthesis of juvenile hormone III and I by the accessory glands of the male mosquito. Insect Biochem Mol Biol, 24(5): 437-444.
Boshart, M., Weber, F., Jahn, G., Dorsch-Häsler, K., Fleckenstein, B. and Schaffner W. (1985) - A very strong enhancer is located upstream of an immediate early gene of human cytomegalovirus. Cell, 41(2): 521-531.
Brough, S.J. and Shah, P. 2009 - Use of aequorin for G protein-coupled receptor hit identification and compound profiling. Methods Mol Biol, 552: 181-198.
Brown, T.A. (2010) - Gene Cloning and DNA Analysis: An Introduction, 6th edition. John Wiley & Sons: 336 pp.
Buttermore, R. E. (1997) - Observations of Successful Bombus terrestris (L.) (Hymenoptera: Apidae) Colonies in Southern Tasmania. Australian Journal of Entomology, 36(3): 251-254.
Caers, J., Verlinden, H., Zels, S., Vandersmissen, H.P., Vuerinckx, K. and Schoofs, L. (2012) - More than two decades of research on insect neuropeptide GPCRs: an overview. Front Endocrinol, 3(151): DOI=10.3389/fendo.2012.00151.
Chalfie, M. (1998) - Genome sequencing: The worm revealed. Nature, 396: 620-621.
de Wet, J.R., Wood, K.V., DeLuca, M., Helinski, D.R. and Subramani, S. (1987) - Firefly luciferase gene: structure and expression in mammalian cells. Mol Cell Biol, 7(2): 725-737.
Dall'aglio, C., Zannoni, A., Forni, M., Bacci, M.L., Ceccarelli, P. and Boiti, C. (2013) - Orexin system expression in the gastrointestinal tract of pigs. Res Vet Sci, 95(1): 8-14
Duve, H., East, P.D. and Thorpe, A. (1999) - Regulation of lepidopteran foregut movement by allatostatins and allatotropin from the frontal ganglion. J Comp Neurol., 413(3): 405-416.
Duve, H., Audsley, N., Weaver, R.J. and Thorpe, A. (2000) - Triple co-localisation of two types of allatostatin and an allatotropin in the frontal ganglion of the lepidopteran Lacanobia oleracea (Noctuidae): innervation and action on the foregut. Cell Tissue Res., 300(1): 153-163.
Elekonich, M. and Horodyski, F. (2003) - Insect allatotropins belong to a family of structurally-related myoactive peptides present in several invertebrate phyla. Peptides, 24(10): 1623-1632.
George, S.E., Bungay, P.J. and Naylor, L.H (1997) - Evaluation of a CRE-Directed Luciferase Reportergene Assay as an Alternative to Measuring cAMP Accumulation. J Biomol Screen, 2(4): 234-240.
Goodwin, E.C. and Rottman, F.M. (1992) - The 3'-flanking sequence of the bovine growth hormone gene contains novel elements required for efficient and accurate polyadenylation. J Biol Chem, 267(23): 16330-16334.
Goulson, D. (2010) –Bumblebees: behaviour, ecology, and conservation, 2nd edition. Oxford University Press (Oxford): 317 pp.
Gurel, F., Gosterit, A. and Eren, Ö. (2008) - Life-cycle and foraging patterns of native Bombus terrestris (L.) (Hymenoptera, Apidae) in the Mediterranean region. Insectes Sociaux, 55: 123-128.
Hancock, J.T. (2010) – Cell Signalling, 3rd edition. Oxford University Press: 341 pp.
Hara J., Beuckmann, C.T., Nambu, T., Willie, J.T., Chemelli, R.M., Sinton, C.M., Sugiyama, F., Yagami, K., Goto, K., Yanagisawa, M. and Sakurai, T. (2001) - Genetic ablation of orexin neurons in mice results in narcolepsy, hypophagia, and obesity. Neuron. 30(2): 345-354.
Harada, A., Yoshida, M., Minakata, H., Nomoto, K., Muneoka, Y. and Kobayashi, M. (1993) - Structure and function of the molluscan myoactive tetradecapeptides. Zoolog Sci, 10(2): 257-265.
Hardin, J., Bertoni, G.P. and Kleinsmith, L.J. (2011) – The regulation of gene expression. uit: Becker’s world of the cell, 8th edition. Pearson Education, Inc: 709-757.
Hauser, F., Cazzamali, G., Williamson, M., Blenau, W. and Grimmelikhuijzen, C.J. (2006) - A review of neurohormone GPCRs present in the fruitfly Drosophila melanogaster and the honey bee Apis mellifera. Prog Neurobiol, 80(1): 1-19.
Hauser, F., Neupert, S., Williamson, M., Predel, R., Tanaka, Y. and Grimmelikhuijzen, C.J. (2010) - Genomics and peptidomics of neuropeptides and protein hormones present in the parasitic wasp Nasonia vitripennis. J Proteome Res, 9(10): 5296-5310.
Hewes, R.S. and Taghert, P.H. (2001) - Neuropeptides and neuropeptide receptors in the Drosophila melanogaster genome. Genome Res, 11(6): 1126-1142.
Horňáková, D., Matoušková, P., Kindl, J., Valterová, I. and Pichová, I. (2010) - Selection of reference genes for real-time polymerase chain reaction analysis in tissues from Bombus terrestris and Bombus lucorum of different ages. Biochemistry, 397(1): 188-120.
Horodyski, F.M., Verlinden, H., Filkin, N., Vandersmissen, H.P., Fleury, C., Reynolds, S.E., Kai, Z. and Vanden Broeck, J. (2011) - Isolation and functional characterization of an allatotropin receptor from Manduca sexta. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 41(10): 804-814.
Horodyski, F.M. (2013) – Allatotropin. In: Handbook of Biologically Active Peptides, 2nd Edition. Elsevier Inc,: 197-202 pp.
Hummon, A.B., Richmond, T.A., Verleyen, P., Baggerman, G., Huybrechts, J., Ewing, M.A., Vierstraete, E., Rodriguez-Zas, S.L., Schoofs, L., Robinson, G.E.and Sweedler, J.V. (2006) - From the genome to the proteome: uncovering peptides in the Apis brain. Science, 314(5799): 647-649.
Inouye, S., Noguchi, M., Sakaki, Y., Takagi, Y., Miyata, T., Iwanaga, S., Miyata, T. and Tsuji, F.I. (1985) – Cloning and sequence analysis of cDNA for the luminescent protein aequorin. Proc Natl Acad Sci U S A. 82(10): 3154-3158.
Kataoka, H., Toschi, A., Li J.P., Carney, R.L., Schooley, D.A. and Kramer S.J. (1989) - Identification of an Allatotropin from Adult Manduca Sexta. Science, 243(4897): 1481-1483.
Katoh, K., Misawa, K., Kuma, K. and Miyata, T. (2002) - MAFFT: a novel method for rapid multiple sequence alignment based on fast Fourier transform. Nucleic Acids Res, 30(14): 3059-3066.
Knight, P.J., Pfeifer, T.A. and Grigliatti, T.A. (2003) - functional assay for G-protein-coupled receptors using stably transformed insect tissue culture cell lines. Analytical Biochemistry, 320(1): 88-103.
Koladich, P.M., Cusson, M., Bendena, W.G., Tobe, S.S. and McNeil, J.N. (2002) - Cardioacceleratory effects of Manduca sexta allatotropin in the true armyworm moth, Pseudaletia unipuncta. Peptides, 23(4): 645-651.
Kozak, M. (1986) - Point mutations define a sequence flanking the AUG initiator codon that modulates translation by eukaryotic ribosomes. Cell, 44(2): 283-292.
Larkin, M.A., Blackshields, G., Brown, N.P., Chenna, R., McGettigan, P.A., McWilliam, H., Valentin, F., Wallace, I,M., Wilm, A., Lopez, R., Thompson, J.D., Gibson, T,J and Higgins D.G. (2007) - Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics 23(21): 2947-2948.
Lee, K.Y., Horodyski, F.M. and Chamberlin, M.E. (1998) - Inhibition of midgut ion transport by allatotropin (Mas-AT) and Manduca FLRFamides in the tobacco hornworm Manduca sexta. J Exp Biol, 201(Pt 22): 3067-7304.
Li, K.W., Holling, T., de With, N.D. and Geraerts, W.P. (1993) - Purification and characterization of a novel tetradecapeptide that modulates oesophagus motility in Lymnaea stagnalis. Biochem Biophys Res Commun, 97(3): 1056-1061.
Li, X.J., Wolfgang, W., Wu, Y.N., North, R.A. and Forte, M. (1991) - Cloning, heterologous expression and developmental regulation of a Drosophila receptor for tachykinin-like peptides. EMBO J, 10(11): 3221-3229.
Li, Y., Unnithan, G.C., Veenstra, J.A., Feyereisen, R. and Noriega, F.G. (2003) - Stimulation of JH biosynthesis by the corpora allata of adult female Aedes aegypti in vitro: effect of farnesoic acid and Aedes allatotropin. J Exp Biol, 206(Pt 11): 1825-1832.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser; C.A., Krieger, M., Scott, M.P. Bretscher, A., Ploegh, H. and Matsudaira, P., (2008) – Cell signaling I: signal transduction and short-term cellular responses. In: Molecular cell biology, 6th edition. W.H. Freemand and Company: 623-664.
Meeusen, T., Mertens, I., De Loof, A. and Schoofs, L. (2003) - G protein-coupled receptors in invertebrates: a state of the art. Int Rev Cytol. 230: 189-261.
Mirabeau, O. and Joly, J.S. (2013) - Molecular evolution of peptidergic signaling systems in bilaterians. Proc Natl Acad Sci U S A, [Epub ahead of print].
Munoz-Torres, M.C., Reese, J.T., Childers, C.P., Bennett, A.K., Sundaram, J.P., Childs, K.L., Anzola, J.M., Milshina, N. and Elsik, C.G. (2011) - Hymenoptera Genome Database: integrated community resources for insect species of the order Hymenoptera. Nucleic Acids Research 39(1): D658-D662 doi: 10.1093/nar/gkq1145.
Nouzova, M., Brockhoff, A., Mayoral, J.G., Goodwin, M, Meyerhof, W. and Noriega, F.G. (2012) - Functional characterization of an allatotropin receptor expressed in the corpora allata of mosquitoes. Peptides, 34(1): 201-208.
Offermanns, S. and Simon, M.I. (1995) - G alpha 15 and G alpha 16 couple a wide variety of receptors to phospholipase C. J. Biol. Chem., 270: 15175-15180.
Paemen, L., Tips, A., Schoofs, L., Proost, P., Van Damme, J. and De Loof, A. (1991) - Lom-AG-myotropin: a novel myotropic peptide from the male accessory glands of Locusta migratoria. Peptides, 12(1): 7-10.
Petri, B., Homberg, U., Loesel, R. and Stengl, M. (2002) - Evidence for a role of GABA and Mas-allatotropin in photic entrainment of the circadian clock of the cockroach Leucophaea maderae. J Exp Biol, 205(Pt 10): 1459-1469.
Rachinsky, A. and Feldlaufer, M.F. (2000) - Responsiveness of honey bee (Apis mellifera L.) corpora allata to allatoregulatory peptides from four insect species. J Insect Physiol, 46(1): 41-46.
Rasmont, P., Coppée, A., Michez, D. and De Meulemeester, T. (2008) - An overview of the Bombus terrestris (L. 1758) subspecies (Hymenoptera: Apidae). Annales de la Societe Entomologique de France, 44(2): 243–250.
Rudwall, A.J., Sliwowska, J. and Nässel, D.R. (2000) - Allatotropin-like neuropeptide in the cockroach abdominal nervous system: myotropic actions, sexually dimorphic distribution and colocalization with serotonin. J Comp Neurol, 428(1): 159-173.
Sakurai, T., Amemiya, A., Ishii, M., Matsuzaki, I., Chemelli, R.M., Tanaka, H., Williams, S.C., Richardson, J.A., Kozlowski, G.P., Wilson, S., Arch, J.R., Buckingham, R.E., et al., (1998) - Orexins and orexin receptors: a family of hypothalamic neuropeptides and G protein-coupled receptors that regulate feeding behavior. Cell, 92(4): 573-585.
Sanger, F., Nicklen S. and Coulson R. (1977) - DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc Natl Acad Sci USA, 74(12): 5463-5467.
Sheu, Y.A., Kricka, L.J. and Pritchett, D.B. (1993) - Measurement of intracellular calcium using bioluminescent aequorin expressed in human cells. Anal Biochem. 209(2): 343-724.
Shimomura, O. (1995) - Luminescence of aequorin is triggered by the binding of two calcium ions. Biochem Biophys Res Commun. 211(2): 359-363.
Shuman, S. (1992) - DNA Strand Transfer Reactions Catalyzed by Vaccinia Topoisomerase I. J. Biol. Chem, 267(12): 8620-8627.
Shuman, S. (1994) - Novel approach to molecular cloning and polynucleotide synthesis using vaccinia DNA topoisomerase. J Bio. Chem, 269(51): 32678-32684.
Sladen, F.W.L. (1912) - The Humble-bee, its Life History and how to Domesticate it. Macmillan and co., limited: 283 pp.
Tamura, K., Dudley, J., Nei, M. and Kumar, S. (2007) - MEGA4: Molecular Evolutionary Genetics Analysis (MEGA) software version 4.0. Mol Biol Evol, 24(8): 1596-1599.
The C. elegans Sequencing Consortium (1998) - Genome Sequence of the Nematode C. elegans: A Platform for Investigating Biology. Science, 282(5396): 2012-2018.
Tobback, J., Mommaerts, V., Vandersmissen, H.P., Smagghe, G. and Huybrechts, R. (2010) - Age- and task-dependent foraging gene expression in the bumblebee Bombus terrestris. Archives of Insect Biochemistry and Physiology, 76(1): 30-42.
Torfs, H., Poels, J., Detheux, M., Dupriez, V., Van Loy, T., Vercammen, L., Vassart, G., Parmentier, M. and Vanden Broeck, J. (2002) - Recombinant aequorin as a reporter for receptor-mediated changes of intracellular Ca2+ -levels in Drosophila S2 cells. Invert Neurosci, 4(3): 119-124.
Ukena, K., Oumi, T., Matsushima, O., Ikeda, T., Fujita, T., Minakata, H. and Nomoto, K. (1995) - A novel gut tetradecapeptide isolated from the earthworm, Eisenia foetida. Peptides, 16(6): 995-999.
Vanden Broeck, J. (1996) - G-protein-coupled receptors in insect cells. Int Rev Cytol, 164: 189-268.
Vanden Broeck, J., Poels, J., Simonet, G., Dickens, L. and De Loof, A. (1998) - Identification of G protein-coupled receptors in insect cells. Ann N Y Acad Sci, 15(839): 123-128.
Vanden Broeck, J. (2001a) - Neuropeptides and their precursors in the fruitfly, Drosophila melanogaster. Peptides, 22(2): 241-254.
Vanden Broeck, J. (2001b) - Insect G protein-coupled receptors and signal transduction. Arch Insect Biochem Physiol, 48(1): 1-12.
Vandesompele, J., De Paepe, A. and Speleman, F. (2002a) - Elimination of Primer–Dimer Artifacts and Genomic Coamplification Using a Two-Step SYBR Green I Real-Time RT-PCR. Analytical Biochemistry, 303(1): 95-98.
Vandesompele, J., De Preter, K., Pattyn, F., Poppe, B., Van Roy, N., De Paepe, A. and Speleman, F. (2002b) - Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biol, 3(7): research0034.1-research0034.11.
van Wilgenburg, E., Driessen, G. and Beukeboom, L. (2006) - Single locus complementary sex determination in Hymenoptera: an"unintelligent" design? Front Zool 3(1).
Veenstra, J.A., Lehman, H.K., Davis, N.T. (1994) - Allatotropin is a cardioacceleratory peptide in Manduca sexta. J Exp Biol, 188: 347-354.
Veenstra, J.A., Rodriguez, L. and Weaver, R. (2012) - Allatotropin, leucokinin and AKH in honey bees and other Hymenoptera. Peptides, 35(1): 122-130.
Vuerinckx, K., Verlinden, H., Lindemans, M., Vanden Broeck, J. and Huybrechts, R. (2011) - Characterization of an allatotropin-like peptide receptor in the red flour beetle, Tribolium castaneum. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 41(10): 815-822.
Weaver, R.J. and Audsley, N. (2009) - Neuropeptide regulators of juvenile hormone synthesis: structures, functions, distribution, and unanswered questions. Ann N Y Acad Sci, 1163: 316-329.
Whitehorn, P.R., Tinsley, M.C., Brown, M.J., Darvill, B. and Goulson, D. (2009) - Impacts of inbreeding on bumblebee colony fitness under field conditions. BMC Evolutionary Biology, 9: 152.
Yamanaka, N., Yamamoto, S., Zitnan, D., Watanabe, K., Kawada, T., Satake, H., Kaneko, Y., Hiruma, K., Tanaka, Y., Shinoda, T. and Kataoka, H. (2008) - Neuropeptide receptor transcriptome reveals unidentified neuroendocrine pathways. PLoS One, 3(8): e3048.
2. Websites:
Beebase: URL: http://hymenopteragenome.org/beebase/
Clustal W 2.0: URL: http://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalw2/
Invitrogen: www.invitrogen.com
National Center for Biotechnology Information (NCBI) URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
qbasePLUS (Biogazelle) http://medgen.ugent.be/~jvdesomp/genorm/geNorm_manual.pdf
