Пероральное введение дцРНК, продуцируемой бактериями, метод доставки РНК-интерференции (РНКи), который обычно используется в Caenorhabditis elegans, было успешно применено здесь к взрослым комарам. Наш метод позволяет проводить надежные исследования обратной генетики и векторные исследования, блокирующие передачу, без использования инъекций.
РНК-интерференция была широко используемым инструментом для обратного генетического анализа в течение двух десятилетий. У взрослых комаров введение двухцепочечной РНК (дцРНК) осуществлялось в основном путем инъекций, что требует значительного времени и не подходит для полевых применений. Чтобы преодолеть эти ограничения, здесь мы представляем более эффективный метод надежной активации РНКi путем пероральной доставки дцРНК взрослому Anopheles gambiae. Длинные дцРНК были получены в штамме Escherichia coli HT115 (DE3), а концентрированная суспензия термоубитых дцРНК-содержащих бактерий в 10% сахарозе была предложена на ватных шариках ad-libitum взрослым комарам . Ватные шарики заменялись каждые 2 дня на время лечения. Использование этого метода для нацеливания на двойной секс (ген, участвующий в дифференцировке пола) или головку вилки (которая кодирует фактор транскрипции слюнной железы) привело к снижению экспрессии гена-мишени и / или сигнала иммунофлуоресценции белка, измеренного количественной ПЦР в реальном времени (qRT-PCR) или флуоресцентной конфокальной микроскопии, соответственно. Также наблюдались дефекты морфологии слюнных желез. Этот очень гибкий, удобный для пользователя, недорогой, эффективный по времени метод доставки дцРНК может быть широко применим к генам-мишеням, важным для физиологии насекомых-переносчиков и за ее пределами.
Многие болезни передаются комарами, что делает изучение физиологии и генетики комаров важным делом. Использование РНКи в этих организмах было заметным в последние 20 лет и позволило функционально охарактеризовать многие гены комаров 1,2,3,4,5. Наиболее часто используемым методом доставки дцРНК была микроинъекция, которая имеет недостатки, заключающиеся в том, что она может повредить комаров и требует значительного времени и усилий. Были опробованы методы пероральной доставки для РНКи, но в основном в личиночной стадии комаров 6,7,8,9. Пероральная доставка дцРНК у взрослых комаров не была полностью изучена и может быть полезным инструментом для изучения векторной биологии и борьбы с переносчиками.
Малярия передается комарами Anopheles, когда инфицированная самка комара берет кровавую пищу от неинфицированного хозяина и вводит слюну, содержащую малярийных паразитов10. Чтобы в конечном итоге передаваться в слюне комара, паразит должен преодолеть многие препятствия, включая уклонение от иммунной системы комара, пересечение барьера средней кишки и вторжение в слюнные железы11. Архитектура слюнной железы комара (SG) является ключом к инвазии паразитов, и эта архитектура контролируется как ключевыми факторами транскрипции, выраженными слюнной железой, так и детерминантами полового диморфизма. Несколько высококонсервативных факторов транскрипции необходимы для клеточной спецификации и гомеостатического поддержания слюнных желез, а также для производства и секреции слюнных белков, которые функционируют при питании кровью 12,13,14. Головка вилки (Fkh) является фактором транскрипции крылатой спирали, который функционирует как основной регулятор структуры и функции SG насекомых (на основе исследований на плодовых мухах и шелкопрядной моли)15,16,17,18,19,20. В Drosophila SGs Fkh функционирует с Sage, SG-специфическим основным фактором транскрипции спирали-петли-спирали (bHLH), чтобы способствовать выживанию SG и выработке слюны19. Важным, положительным корегулятором выработки слюны у дрозофилы является CrebA, хорошо изученный лейциновый фактор транскрипции молнии, который повышает экспрессию генов секреторного пути 21,22,23. Существует также сильная степень морфологической дифференцировки в женских слюнных железах, которая, вероятно, играет ключевую роль не только в кровоснабжении, но и в способности паразитов вторгаться в эту ткань24.
Многие из генов, участвующих в определении выживаемости, структуры, физиологии и полового диморфизма слюнных желез, имеют сложные профили пространственно-временной экспрессии 25,26,27, и традиционные методы доставки дцРНК для индуцирования РНК Не всегда эффективны для нацеливания на эти виды генов в той или иной ткани. Тем не менее, пероральная доставка дцРНК в личиночной стадии комаров Aedes aegypti и An. gambiae была успешно использована для подавления специфической для женщин формы гена dsx 9,28. Предыдущие исследования с использованием дцРНК в слюнных железах комаров показали, что, хотя требовалось большое количество дцРНК, эффект глушения был относительно длительным (не менее 13 дней)29. Здесь была проверена способность термоубитого штамма E. coli HT115 (DE3), экспрессирующего последовательно-специфическую дцРНК для dsx, fkh или CrebA, индуцировать глушение РНКи этих генов у взрослых самок комаров. Пероральное введение нокдауна гена, индуцированного дцРНК, у An. gambiae, с явным снижением уровней мРНК и с фенотипами, соответствующими потере функции этих генов. Таким образом, этот подход, вероятно, будет работать, чтобы сбить функцию различных генов слюнных желез.
Способность эффективно доставлять дцРНК комарам An. gambiae путем перорального кормления имеет широкие последствия для исследований векторной биологии как в лаборатории, так и в полевых условиях. Микроинъекция уже давно принята в качестве предпочтительного способа доставки химических веществ, антител, РНКi и стратегий генетической модификации у комаров43,44. Последствий существенных физических манипуляций, повреждения клеток и стресса можно избежать с помощью пероральной доставки, которая также может быть потенциально пригодна для крупномасштабных или полевых применений. Предыдущая работа предполагала, что РНКи действует повсеместно в пределах отдельного взрослого комара29, допуская эффекты во всех тканях, включая слюнные железы. Кормя комаров большим количеством дцРНК-экспрессирующей E. coli, которые перевариваются асинхронно в течение длительного периода времени, можно потенциально достичь последовательного и равномерного воздействия РНКИ на всех особей в клетке. Этот метод позволяет кормить большое количество комаров и анализировать потенциальную изменчивость полученных фенотипов в зависимости от гена-мишени. Однако одним из важных соображений является возможность гетерогенного распределения бактерий и, следовательно, дцРНК в хлопковом волокне. 400 мкл бактерий, используемых ежедневно для кормления комаров сахаром, будут содержать примерно ≤4,6 мкг дцРНК, как описано и рассчитано ранее9, но количество дцРНК, проглоченного каждым комаром, не было индивидуально определено. Если построение конструкций дцРНК становится рутиной, этот простой протокол лечения позволяет быстро усвоить этот метод любому исследователю комаров. Априори затраты времени во время лечения (30 мин в день) тривиальны по сравнению со временем, затрачиваемым на изучение и применение микроинъекции к аналогичным размерам выборки.
Питание дцРНК обычно используется для обратных генетических исследований в модельном организме Caenorhabditis elegans45. Такой высокий уровень использования подчеркивает ценность подхода к устной доставке. Построение общегеномной библиотеки An. gambiae в трансформированной кишечной палочке, аналогичной той, которая существует у C. elegans46,47, позволило бы проводить быстрый обратный генетический скрининг у комаров в увеличенном масштабе. Однако важно отметить, что эффективность метода в значительной степени зависит от эндогенных уровней транскрипта и от того, ограничивается ли экспрессия тканью-мишенью, а экспрессируется более широко 4,8,44. Кроме того, есть доказательства того, что некоторые инсектициды могут вызывать поведенческое избегание у комаров48, а кормление бактериями, которые потенциально вызывают у них неблагоприятные эффекты, может вызвать аналогичные модели избегания. В контролируемых условиях лаборатории, где у комаров не было альтернативного источника пищи, у них не было выбора, чтобы избежать сахарной воды с кишечной палочкой, и потребность в питательном источнике, вероятно, перевесила бы инстинкт избегать бактерий. Однако это следует учитывать, если стратегия предназначена для использования в менее контролируемых условиях.
Может быть возможно нацеливаться на несколько генов одновременно (используя одну конструкцию, несколько конструкций или смесь трансформированных бактериальных изолятов), но для оценки эффективности необходимы дальнейшие исследования. Другим важным соображением на этот момент является оценка возможных нецелевых или синергетических эффектов при использовании одной или нескольких целей. Создание соответствующих контрольных генов и групп является важной частью экспериментального проекта. Кроме того, заманчиво предположить, что этот подход может быть использован для нацеливания на другие патогены или вирусы49. Предыдущая работа по индукции РНКи у комаров проводилась в условиях, когда реагент вводился непосредственно, поэтому E. coli отсутствовала . E. coli может обеспечивать защитный отсек, позволяющий медленнее высвобождать дцРНК с течением времени, гарантируя, что воздействие будет более или менее непрерывным в течение гораздо более длительного периода29.
Наконец, эти результаты показывают, что эффекты этого метода можно настроить путем корректировки временных рамок (продолжительности и начального дня) воздействия и количества используемой кишечной палочки . Эта особенность позволила изучить функции эссенциальных генов (dsx и fkh) путем определения оптимальных условий нокдауна методом проб и ошибок. Это значительно повышает вероятность того, что гены-мишени, представляющие интерес, могут быть исследованы с использованием этой техники.
Таким образом, было обнаружено, что пероральная доставка РНКи взрослым комарам может быть простой, универсальной и мощным подходом к изучению функции генов комаров и созданию новых и податливых инструментов для борьбы с переносчиками болезней, переносимых комарами.
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников и ученых в Отделе энтомологии и Отдела паразитарных заболеваний и малярии в CDC, а также Брайана Тригга и Мишель Чиу за помощь в подготовке бактерий в JHU и / или полезные обсуждения этой работы. Мы благодарим JHMRI Insectary и менеджера Криса Кизито за доступ к комарам An. gambiae и их выращивание . Мы благодарим Wei Huang (JHSPH) за помощь в получении плазмид PJet GFP и pPB47 GFP для использования в этом исследовании. Финансирование этой работы было предоставлено: NIH R21AI153588 (для DJA), постдокторской стипендией Научно-исследовательского института малярии Джона Хопкинса (для MW); и грантом Фонда Good Ventures и Открытого благотворительного проекта Фонду CDC под названием «Поддержка криоконсервации и подавления развития женщин у комаров» для содействия исследованиям малярии, Open Philanthropy Project, 2017. Мы высоко ценим помощь со стороны сотрудников JHU Microscope Facility и соответствующую грантовую поддержку NIH для используемого микроскопа (NIH Grant #: S10OD016374). Выводы и заключения в этой рукописи принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения CDC. Использование торговых наименований предназначено только для идентификации и не подразумевает одобрения со стороны Центров по контролю и профилактике заболеваний, Службы общественного здравоохранения или Министерства здравоохранения и социальных служб США.
1 Kb Plus DNA Ladder | Thermo Fisher Scientific | 10787018 | |
2x Yeast Extract Tryptone (2xYT) Medium | BD Difco | DF0440-17 | |
AAPP | n/a | n/a | Antisera. 1:50 dilution (rabbit); gift from Fabrizio Lombardo |
AccuStart II PCR Supermix | Quantabio | 95137-100 | |
Agarose | Millipore Sigma | A9539 | |
Ampicillin | Millipore Sigma | A5354 | |
Anopheles gambiae G3 | BioDefense and Emerging Infections (BEI) Malaria Research and Reference Reagent Resource Center (MR4) | MRA-112 | |
BugDorm | BioQuip | 1452 | |
Centrifuge 5810R | Eppendorf | P022628181 | |
CrebA | DSHB | CrebA Rbt-PC | Antisera. 1:50 dilution (rabbit); generated by the Andrew Lab |
Damiens diet | BioServ | ||
DAPI | Life Technologies | n/a | 4′,6-diamidino-2-phenylindole; 1:200 dilution. |
Defibrinated sheep blood | HemoStat | DSB050 | |
Escherichia coli HT115 (DE3) | |||
Ethidium bromide | Millipore Sigma | E7637 | |
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Thermo Fisher Scientific | 4368814 | |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside | Millipore Sigma | I5502 | |
JM109 Competent cells | Promega | L2005 | |
Luria Broth Media | Thermo Fisher Scientific | 10855001 | |
Mucin 2 | Proteintech | Muc2; 27 675-1-AP | Antisera. 1:100 dilution (mouse). |
Nanodrop 2000 | Thermo Fisher Scientific | ||
Nile Red | Sigma | n/a | Lipid dye; 1:50 dilution. |
Owl EasyCast B2 Mini Gel Horizontal Electrophoresis | Thermo Fisher Scientific | Model B2 | |
pGEMT easy | Promega | A3600 | |
Power SYBR-green PCR master MIX | Applied Biosystems | 4367659 | |
PureLink PCR purification kit | Thermo Fisher Scientific | K31001 | |
QuantaStudio 6 | Applied Biosystems | ||
QuantStudio6 Real Time PCR System | Applied Biosystems | ||
Rab11 | n/a | n/a | Antisera. 1:100 dilution (rabbit); generated by the Andrew Lab |
Rh-WGA | Vector Labs | n/a | Rhodamine-conjugated wheat germ agglutinin (chitin, O-GlcNAcylation dye); 1:40 dilution |
Sage | n/a | n/a | Antisera. 1:50 dilution (rat); generated by the Andrew Lab |
T4 DNA ligase | Promega | M1801 | |
Tetracycline | Millipore Sigma | 87128 | |
Trizol | Thermo Fisher Scientific | 15596018 | |
Zeiss LSM700 fluorescence confocal microscope | Zeiss | ||
ANTIBODIES | |||
Chicken anti-Rat IgG (H+L), Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A21472 | |
Goat anti-Mouse IgG (H+L), Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A28181 | |
IgG (H+L) Goat anti-Rabbit, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A27034 | |
Rabbit anti-Goat IgG (H+L), Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A27012 | |
PRIMERS | |||
ACT-2f: TACAACTCGATCATGAAGTGCGA | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
ACT-3r: CCCGGGTACATGGTGGTACCGC CGGA |
CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
FKH_RNAi_F: GCCGACTTATGCTTAGCCCA | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
FKH_RNAi_R: TAGCCGTCAATTCCTCCTGC | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
newDSX-f: AGAGGGCGGGGAAATTCTAGT | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
newDSX-r: GGGCTTGTGGCAGTACGAATA | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
S7qf1: AGAACCAGCAGACCACCATC | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |
S7qr1: GCTGCAAACTTCGGCTATTC | CDC Biotechnology Core Facility Branch | n/a | qRT-PCR primer |