Onderzoek naar de gerichte bezetting van zombievliegen door de poppenspelzwam

In een nieuwe studie gepubliceerd in eLifehoofdauteur Carolyn Elya, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Organizational and Evolutionary Biology van Harvard, onthult de moleculaire en cellulaire onderbouwing achter het vermogen van de parasitaire schimmel Entomophthora muscae (E. muscae), om het gedrag van fruitvliegen te manipuleren.

Elya beschreef het gemanipuleerde gedrag, een summit genaamd, voor het eerst in een studie gepubliceerd in eLife in 2018. Elya, die microben bestudeerde die door fruitvliegjes werden gedragen terwijl ze een afgestudeerde student was aan de University of California (UC) Berkeley, zette rottend fruit uit om wilde fruitvliegjes te vangen.

Toen hij later controleerde om te zien of hij er een had gevangen, vond hij in plaats daarvan zombievliegen, met een gestreept patroon op hun buik, die waren gestorven in een interessante pose. Door middel van DNA-extractie en sequentiebepaling bevestigde Elya de vermoedelijke oorzaak, E. muscae.

De top vindt plaats bij zonsondergang, wanneer geïnfecteerde vliegen naar een verhoogde positie klimmen en hun slurf naar de oppervlakte uitstrekken. Een kleverige druppel die uit de proboscis komt, hecht de vlieg aan het oppervlak net voordat de vleugels omhoog komen en van het lichaam weg bewegen en de vliegen sterven.

“Klimmen is erg belangrijk omdat het de vlieg in een gunstige positie plaatst om de schimmel naar sterkere gastheren te verspreiden”, zegt Elya. “De schimmel springt naar de nieuwe gastheer door zeer gespecialiseerde en tijdelijke structuren te vormen die de huid van de vlieg doorboren en sporen vrijgeven in de omgeving die slechts een paar uur goed zijn. Het is een vluchtig proces, dus een uitkijkpunt is alles om te overleven.”

Terwijl ze op UC Berkeley was, ontwikkelde Elya een laboratoriummodel van wat ze het Entomophthora muscae-Drosophila melanogaster “zombievlieg”-systeem noemt, met behulp van wilde schimmelisolaten die ze in haar achtertuin vond. Met dit systeem was Elya in staat om continu fruitvliegen te infecteren – een nietje in het laboratorium, en om de schimmel onafhankelijk van de gastheer van de vlieg te laten groeien in media waarvan wordt aangenomen dat ze de interne omgeving van de vlieg nabootsen.

Summiting is meermaals in de wetenschappelijke literatuur verschenen, maar de studies waren slechts observaties van dode huisvliegen. Niemand had ooit gezien hoe vliegen zich gedragen in de laatste uren van hun leven. Elya wilde deze kennislacune opvullen over wat er gebeurt als vliegen de top bereiken door een high-throughput gedragstest te ontwikkelen om automatisch honderden geïnfecteerde vliegen te volgen. Terwijl hij dit platform gebruikte om het gedrag te volgen van vliegen die zombies worden, stuitte hij op een verrassing.

“We ontdekten dat de top niet over klimmen gaat,” zei Elya, “het is eigenlijk deze uitbarsting van motorische activiteit die begint ongeveer twee en een half uur voordat de vliegen sterven.”

Met deze ontdekking combineerden Elya en haar collega’s haar systeem om op verzoek zombievliegen te creëren met de krachtige genetische toolbox van fruitvliegjes van het laboratorium. Met deze en de nieuwe gedragsanalyse van de auteur konden ze de genen en neuronen identificeren die nodig zijn om de vliegen te bereiken.

“Over het algemeen ontdekten we dat de hormonale axonen van de vliegen het kantelgedrag bemiddelden. Toen we deze neuronen het zwijgen oplegden, waren de vliegen erg slecht in kantelen”, zegt Elya. Deze neuronen sturen projecties naar een neurohemorragisch orgaan dat juveniel hormoon produceert, een hormoon dat in insecten wordt bewaard. “We denken dat de schimmel eigenlijk de activiteit van deze neuronen aanstuurt om de afgifte van dit hormoon aan te drijven, waardoor de vliegen deze uitbarsting van locomotorische activiteit hebben.”

Elya en co-auteurs waren toen in staat om een ​​gedragsgegevensset te verzamelen die bestond uit honderden geïnfecteerde vliegen, die ze vervolgens gebruikten om een ​​computer te trainen om de vliegen te herkennen wanneer ze de top bereikten. Met deze classificatietool kon het team ontdekken dat schimmelcellen de vliegenhersenen op een georganiseerde manier binnendringen en tijdens de piek specifieke delen van de hersenen bezetten.

Interessant is dat het team ook ontdekte dat de bloed-hersenbarrière van vliegen wordt aangetast wanneer ze worden blootgesteld aan de schimmel. Normaal gesproken worden de neuronen beschermd door het bloed dat in het lichaam van de vlieg circuleert. De afbraak van de bloed-hersenbarrière heeft belangrijke gevolgen voor waar neuronen aan worden blootgesteld, waardoor dingen die in het bloed circuleren mogelijk kunnen interageren met neuronen in de hersenen, waardoor een pad wordt geboden voor het reguleren van neurale activiteit.

“We denken dat dit belangrijk kan zijn voor hoe de schimmel gedragsveranderingen teweegbrengt,” zei Elya, “en we hebben zelfs ontdekt dat je bloed kunt afnemen van vliegen die het piekgedrag vertonen, het in naïeve vliegen kunt stoppen en er een paar kunt verjagen. Dus we” we hebben aangetoond dat er op zijn minst een gedeeltelijke mogelijkheid is om dit gedrag op het hoogtepunt te recapituleren, gewoon door bloed van vliegen over te brengen.”

Elya zegt dat deze experimenten aantonen dat bepaalde door het bloed overgedragen factoren het piekgedrag kunnen sturen, hoewel het nog niet duidelijk is wat de identiteit van deze factoren is of wie ze produceert (de schimmel of de vlieg).

Elya hoopt vervolgens transgenen te ontwikkelen om dingen aan de schimmelkant te helpen reguleren, afgezien van de verstoringen die vliegen al kunnen veroorzaken. “Er zijn hier nog veel open vragen”, zegt hij, “wat de schimmel doet, is nog steeds een mysterie.”