מתן אוראלי של dsRNA המיוצר על ידי חיידקים, שיטת אספקה להפרעות RNA (RNAi) המשמשת באופן שגרתי ב – Caenorhabditis elegans, יושם כאן בהצלחה על יתושים בוגרים. השיטה שלנו מאפשרת מחקרים חזקים בגנטיקה הפוכה ומחקרי וקטורים חוסמי העברה ללא שימוש בהזרקה.
הפרעת RNA הייתה כלי בשימוש רב לניתוח גנטי הפוך במשך שני עשורים. אצל יתושים בוגרים, מתן RNA דו-גדילי (dsRNA) הושג בעיקר באמצעות הזרקה, הדורשת זמן משמעותי ואינה מתאימה ליישומי שדה. כדי להתגבר על מגבלות אלה, כאן אנו מציגים שיטה יעילה יותר להפעלה חזקה של RNAi על ידי אספקה דרך הפה של dsRNA לגמביה אנופלס בוגרת. dsRNA ארוכים יוצרו בזן Escherichia coli HT115 (DE3), ותרחיף מרוכז של חיידקים המכילים dsRNA מומתים בחום ב-10% סוכרוז הוצע על כדורי צמר גפן ad-libitum ליתושים בוגרים. כדורי צמר גפן הוחלפו כל יומיים למשך הטיפול. שימוש בשיטה זו כדי להתמקד בדאבלסקס (גן המעורב בהתמיינות בין המינים) או בראש מזלג (המקודד גורם שעתוק של בלוטת הרוק) הביא לביטוי מופחת של גני מטרה ו/או לאות אימונופלואורסצנציה של חלבון, כפי שנמדד על ידי PCR כמותי בזמן אמת (qRT-PCR) או מיקרוסקופיה קונפוקלית פלואורסצנטית, בהתאמה. נצפו גם פגמים במורפולוגיה של בלוטת הרוק. שיטה גמישה מאוד זו, ידידותית למשתמש, בעלות נמוכה וחסכונית בזמן של אספקת dsRNA יכולה להיות ישימה באופן נרחב לגני מטרה החשובים לפיזיולוגיה של וקטור חרקים ומעבר לה.
מחלות רבות מועברות על ידי יתושים, מה שהופך את המחקר של פיזיולוגיה יתושים וגנטיקה למשימה חשובה. השימוש ב-RNAi באורגניזמים אלה בלט ב-20 השנים האחרונות ואיפשר אפיון תפקודי של גנים רבים של יתושים 1,2,3,4,5. הטכניקה הנפוצה ביותר להעברת dsRNA הייתה microinjection, אשר יש את החסרונות כי זה יכול לפצוע את היתושים דורש זמן ומאמץ משמעותי. שיטות אספקה דרך הפה עבור RNAi נבדקו, אך בעיקר בשלב הזחל של היתושים 6,7,8,9. אספקה דרך הפה של dsRNA אצל יתושים בוגרים לא נחקרה במלואה ויכולה להיות כלי שימושי לחקר הביולוגיה הווקטורית והבקרה הווקטורית.
מלריה מועברת על ידי יתושי אנופלס כאשר יתוש נקבה נגועה לוקחת ארוחת דם מפונדקאי לא נגוע ומזריקה רוק המכיל טפילי מלריה10. כדי שבסופו של דבר יועבר ברוק של יתוש, הטפיל חייב להתגבר על מכשולים רבים, כולל התחמקות ממערכת החיסון של היתושים, חציית מחסום המידגוט ופלישה לבלוטות הרוק11. ארכיטקטורת בלוטת הרוק של יתושים (SG) היא המפתח לפלישת הטפילים וארכיטקטורה זו נשלטת הן על ידי גורמי שעתוק מרכזיים המבטאים בלוטת הרוק והן על ידי גורמים קובעים של דימורפיזם מיני. מספר גורמי שעתוק שמורים מאוד נדרשים לצורך אפיון תאי ותחזוקה הומאוסטטית של בלוטות הרוק ולייצור והפרשת חלבוני רוק הפועלים בהזנתדם 12,13,14. ראש מזלג (Fkh) הוא גורם שעתוק סליל מכונף המתפקד כרגולטור עיקרי של מבנה ותפקוד SG של חרקים (בהתבסס על מחקרים בזבובי פירות ובעש תולעי המשי)15,16,17,18,19,20. ב-Drosophila SGs, Fkh מתפקד עם Sage, גורם שעתוק סליל-לולאה-סליל בסיסי ספציפי ל-SG (bHLH), כדי לקדם את הישרדות ה-SG ואת ייצור הרוק19. מווסת שותף חשוב וחיובי של ייצור הרוק בדרוזופילה הוא CrebA, גורם שעתוק רוכסן לאוצין שנחקר היטב, אשר מווסת את הביטוי של גנים של מסלול הפרשה 21,22,23. יש גם מידה חזקה של התמיינות מורפולוגית בבלוטות הרוק הנשיות שככל הנראה ממלאת תפקיד מפתח, לא רק בהזנת דם אלא גם ביכולתם של טפילים לפלוש לרקמה זו24.
לרבים מהגנים המעורבים בקביעת הישרדות בלוטת הרוק, המבנה, הפיזיולוגיה והדימורפיזם המיני יש פרופילי ביטוי מרחביים מורכבים 25,26,27, ושיטות המסירה המסורתיות של dsRNA להשראת RNAi אינן תמיד יעילות בהתמקדות בגנים מסוג זה או ברקמות אחרות. עם זאת, אספקה דרך הפה של dsRNA בשלב הזחל Aedes aegypti ו– An. gambiae יתושים שימשה בהצלחה כדי להשתיק את הצורה הספציפית לנקבה של הגן dsx 9,28. מחקרים קודמים שהשתמשו ב-dsRNA בבלוטות הרוק של היתושים מצאו שלמרות שנדרשו כמויות גדולות של dsRNA, אפקט ההשתקה היה ארוך יחסית (לפחות 13 יום)29. כאן נבדקה היכולת של זן E. coli HT115 (DE3) המבטא dsRNA ספציפי לרצף עבור dsx, fkh או CrebA לגרום להשתקת RNAi של גנים אלה אצל יתושים נקבות בוגרות. מתן אוראלי של dsRNA גרם להפלת גנים ב– An. gambiae, עם הפחתה ברורה ברמות mRNA ועם פנוטיפים התואמים את אובדן התפקוד של גנים אלה. לפיכך, סביר להניח שגישה זו תעבוד כדי להפיל את תפקודם של מגוון גנים של בלוטות הרוק.
ליכולת להעביר ביעילות dsRNA ליתושי An. gambiae על ידי האכלה דרך הפה יש השלכות רחבות על מחקרים על ביולוגיה וקטורית הן במעבדה והן בשטח. Microinjection כבר מזמן מקובל כדרך המועדפת של אספקת כימיקלים, נוגדנים, RNAi, ואסטרטגיות שינוי גנטיות יתושים43,44. ניתן להימנע מהתוצאה של מניפולציה פיזית משמעותית, נזק לתאים ומתח על ידי שימוש בלידה דרך הפה, שעשויה להתאים גם ליישומים בקנה מידה גדול או בשטח. עבודות קודמות הציעו כי RNAi פועל בכל מקום בתוך יתושבוגר בודד 29, ומאפשר השפעות בכל הרקמות, כולל בלוטות הרוק. על ידי האכלת יתושים במספרים גדולים של E. coli המבטאים dsRNA, המתעכלים באופן אסינכרוני לאורך פרק זמן ארוך, ניתן להשיג חשיפה עקבית ואחידה ל-RNAi על פני כל הפרטים בכלוב. שיטה זו מאפשרת להאכיל מספר רב של יתושים ולנתח את השונות הפוטנציאלית של הפנוטיפים המתקבלים בהתאם לגן המטרה. עם זאת, אחד השיקולים החשובים הוא האפשרות של הפצה הטרוגנית של החיידקים, ומכאן dsRNA, בסיבי הכותנה. 400 מיקרול’ של חיידקים המשמשים מדי יום להזנת יתושים מסוכר יכילו כ-≤4.6 מיקרוגרם של dsRNA, כפי שתואר וחושב קודם לכן9, אך כמות ה-dsRNA שנבלעה על ידי כל יתוש לא נקבעה בנפרד. אם בניית מבני dsRNA הופכת לשגרה, פרוטוקול טיפול פשוט זה מאפשר הטמעה מהירה של טכניקה זו על ידי כל חוקר יתושים. א-פריורי, זמן ההוצאה במהלך הטיפול (30 דקות ביום) הוא טריוויאלי בהשוואה לזמן שלוקח ללמוד וליישם מיקרו-איניג’ינג בגדלים דומים של דגימות.
האכלת dsRNA משמשת באופן שגרתי למחקרי גנטיקה הפוכה באורגניזם המודל Caenorhabditis elegans45. רמת שימוש כבדה זו מדגישה את הערך של גישת הלידה האוראלית. בניית ספרייה כלל-גנומית של An. gambiae ב-E. coli שעברה טרנספורמציה, בדומה לזו הקיימת ב-C. elegans46,47, תאפשר בדיקה גנטית הפוכה מהירה אצל יתושים בקנה מידה מוגבר. עם זאת, חשוב לציין כי יעילות השיטה תלויה במידה רבה ברמות האנדוגניות של התעתיק ואם הביטוי אינו מוגבל לרקמת המטרה אלא מבוטא באופן רחב יותר 4,8,44. בנוסף, ישנן עדויות לכך שכמה קוטלי חרקים יכולים לגרום להימנעות התנהגותית מיתושים48, והאכלה בחיידקים שעלולים לגרום להם לתופעות לוואי עלולה לעורר דפוסים דומים של הימנעות. בסביבה המבוקרת של המעבדה, שבה ליתושים לא היה מקור מזון חלופי, לא הייתה להם ברירה להימנע ממי הסוכר עם E. coli והצורך במקור מזין כנראה יגבר על האינסטינקט להימנע מהחיידקים. עם זאת, יש לשקול זאת אם האסטרטגיה נועדה לשמש בהגדרות פחות מבוקרות.
ייתכן שניתן יהיה לכוון למספר גנים בו-זמנית (באמצעות מבנה אחד, מספר מבנים או תערובת של חיידקים מבודדים שעברו טרנספורמציה), אך נדרשים מחקרים נוספים כדי להעריך את היעילות. שיקול חשוב נוסף לנקודה זו הוא הערכה של השפעות אפשריות מחוץ למטרה או סינרגטיות בעת שימוש ביעדים בודדים או מרובים. הקמת גנים וקבוצות בקרה מתאימים היא חלק חשוב בתכנון הניסוי. יתר על כן, מפתה לשער כי גישה זו יכולה לשמש כדי להתמקד בפתוגנים או וירוסים אחרים49. עבודה קודמת לקראת אינדוקציה של RNAi ביתושים בוצעה בתנאים שבהם הריאגנט הוזרק ישירות, ולכן E. coli לא היו נוכחים. ה – E. coli עשוי לספק תא מגן המאפשר שחרור איטי יותר של dsRNA לאורך זמן, ומבטיח שהחשיפה תהיה פחות או יותר רציפה לאורך תקופה ארוכה בהרבה29.
לבסוף, תוצאות אלה מראות כי ההשפעות של טכניקה זו ניתנות לכוונון על ידי התאמת מסגרת הזמן (אורך ויום ההתחלה) של החשיפה והכמות של E. coli בשימוש. תכונה זו אפשרה לנו לחקור את הפונקציות של גנים חיוניים (dsx ו – fkh) על ידי זיהוי תנאי נפילה אופטימליים על ידי ניסוי וטעייה. זה משפר מאוד את הסבירות שניתן לחקור גנים ממוקדים בעלי עניין באמצעות טכניקה זו.
לסיכום, נמצא כי מסירה דרך הפה של RNAi ליתושים בוגרים יכולה להיות פשוטה, רב-תכליתית וגישה רבת עוצמה לחקר תפקוד הגנים של היתושים וליצירת כלים חדשניים ובלתי ניתנים להדברה וקטורית של מחלות המועברות על ידי יתושים.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מבקשים להודות לצוות ולמדענים בענף האנטומולוגיה ובמחלקה למחלות טפיליות ומלריה ב-CDC, ולבריאן טריג ומישל צ’יו על הסיוע בהכנת חיידקים ב-JHU ו/או על דיונים מועילים בעבודה זו. אנו מודים ל-JHMRI Insectary ולמנהל כריס קיזיטו על הגישה והגידול של יתושי An. gambiae . אנו מודים ל-Wei Huang (JHSPH) על הסיוע בהשגת פלסמידים PJet GFP ו-pPB47 GFP לשימוש במחקר זה. המימון לעבודה זו ניתן על ידי: NIH R21AI153588 (ל- DJA), מלגת פוסט-דוקטורט של מכון ג’ונס הופקינס לחקר המלריה (ל- MW); ועל ידי מענק מקרן Good Ventures ופרויקט הפילנתרופיה הפתוחה לקרן CDC שכותרתה תמיכה בשמירת בהקפאה ודיכוי התפתחות נשית של יתושים כדי לסייע במחקר על מלריה, פרויקט פילנתרופיה פתוחה, 2017. אנו מעריכים מאוד את הסיוע של צוות מתקן המיקרוסקופ JHU ואת התמיכה הרלוונטית במענק NIH עבור המיקרוסקופ שבו נעשה שימוש (מענק NIH #: S10OD016374). הממצאים והמסקנות בכתב יד זה הם של המחברים ואינם מייצגים בהכרח את דעותיו של ה-CDC. השימוש בשמות מסחריים הוא לצורך זיהוי בלבד ואינו מרמז על תמיכה על ידי המרכזים לבקרת מחלות ומניעתן, שירות בריאות הציבור או מחלקת הבריאות ושירותי האנוש של ארה”ב.
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 |