Захист фруктових мушок від паразитичних кліщів

Чи доводилося вам боротися з безсонням, викликаним тривогою або безглуздим скролінгом о третій годині ночі? В садах і тропічних лісах Квінсленду певні популяції дрозофіл Drosophila melanogaster ведуть зовсім іншу, більш фізичну нічну боротьбу: залишитися awake, щоб уникнути пожирання ектопаразитичними кліщами. Нове дослідження, проведене Університетом Цинциннаті під керівництвом біолога Джошуа Бенуа, показує, як штучно відбрані мухи, стійкі до кліщів, жертвують сном за значну метаболічну ціну, обираючи виживання за рахунок енергетичних запасів і звичних циркадних ритмів.

Безсоння, викликане паразитами у Drosophila

У своєму природному середовищі фруктові мухи після заходу сонця стають жертвами кліщів Gamasodes queenslandicus, які прикріплюються, як кліщі, проколюють кутикулу та споживають гемолімфу і тканини. Паразитовані мухи демонструють надмірну активацію імунної системи, пошкодження тканин і знижену успішність розмноження. Щоб протистояти цьому, команда Бенуа протягом восьми поколінь використовувала штучний відбір для виведення ліній мух, які демонструють підвищену активність вночі у присутності кліщів.

• Були проведені поведінкові випробування в спеціально розроблених 16-канальних LED аренах з інфрачервоним відстеженням руху на швидкості 30 кадрів на секунду.
• Респірометрія вимірювала споживання кисню на рівні ~5 мкл O₂/муха/годину в умовах безперервного потоку.
• Сесії сну, які тривали менше 5 секунд, визначалися як періоди неспання, що узгоджується з вже встановленими дослідженнями сну у Drosophila.

Метаболічні витрати та експресія генів

Профілювання РНК-секвенування цілісних витяжок з мух виявило підвищення експресії понад 30 генів у шляхах гліколізу, ліполізу та протеолізу. Ключові ферменти, такі як гексокіназа, дегідрогеназа гліцеральдегід-3-фосфату, гормонозалежна ліпаза та катепсин L, продемонстрували на 1.5–2 рази вищу експресію у стійких лініях. Валідація за допомогою кількісної ПЛР підтвердила підвищену транскрипцію генів періоду та годинникових генів, які змінюються під впливом енергетичних сенсорів, таких як AMP-активована протеїнкіназа.

В результаті: стійкі мухи демонструють на 20% менше жирових відкладень і на 15% менше запасів білка. Підвищений базальний метаболізм і нічна активність відповідали денним контролям, що підтверджує модель, згідно з якою гіпервігілентність вимагає постійного обігу АТФ і споживання кисню.

Методологічні досягнення у вивченні взаємодії сну та паразитів

Окрім класичних поведінкових випробувань, дослідження використовувало:

• Мікро-CT візуалізацію для виявлення місць прикріплення кліщів і кількісної оцінки пошкоджень тканин.
• CRISPR/Cas9 репортери для моніторингу нейронної активності в грибоподібних тільцях в реальному часі.
• Автоматизовані класифікатори на основі машинного навчання для розрізнення поведінки по догляду, спроб польоту та справжніх епізодів сну.

Ці нововведення дозволяють проводити високопродуктивний скринінг генетичних варіантів і фармакологічних модулюючих засобів сну та імунної функції.

Генетичні та нейробіологічні механізми

Регуляція сну у Drosophila координується консервативною мережею годинникових нейронів, нейропептидів та нейротрансмітерів. Електрофізіологічні записи виявили, що у стійких мух підвищені базові частоти імпульсів у дофамінергічних нейронах PPL1, які стимулюють неспання, а також знижені рівні сну, індукованого октопаміном. Транскриптомні зміни в інсуліновому/ TOR шляху свідчать про те, що системні гормональні сигнали пов’язують енергетичний статус з потребою у сні.

Екологічні та еволюційні наслідки

Хоча хронічне безсоння погіршує довгострокове виживання в контрольованих лабораторних умовах, у природі вигода від уникнення летальної паразитизації, ймовірно, перевищує витрати на втрату сну. Моделювальні дослідження передбачають, що коли ризик паразитизму перевищує 60% за ніч, відбір перевагає гіпервігілентність, незважаючи на 30% підвищення ймовірності голодування.

Схожі поведінкові адаптації були відзначені у кажанів, що відпочивають, та мігруючих птахів, де зовнішній тиск паразитів змінює архітектуру сну. Ці паралелі між таксонами вказують на універсальний компроміс між імунним захистом та енергозбереженням.

Думки експертів

Доктор Анжалі Рао, ентомолог Австралійського національного інституту комах, зазначає: “Ця робота елегантно пов’язує поведінку, метаболізм і регуляцію генів, виявляючи складну стратегію виживання. Вона підкреслює важливість врахування екологічного контексту при вивченні сну у модельних організмах.” Доктор Майкл Лейтнер, нейрогенетик з Інституту Макса Планка, додає: “Інтеграція CRISPR репортерів з респірометрією встановлює новий стандарт для вивчення нейронних основ поведінки, що залежить від стану, у Drosophila.”