Em formação

Redes de genes em insetos


Estou trabalhando em redes de genes e atualmente tenho a rede de genes de abelhas para trabalhar. O que estou perdendo é uma rede genética com a qual eu possa compará-la. Você poderia me guiar até um banco de dados / site que eu poderia usar para baixar uma rede de genes e usar em meu estudo. Estou procurando redes de genes de espécies intimamente relacionadas (espero que outra espécie de gene de abelha melífera (diferente de Apis mellifera ou um himenóptero. Estou realmente aberto a todas as espécies de insetos voadores. Conselho gentil.


Gene homeótico

Na biologia evolutiva do desenvolvimento, genes homeóticos são genes que regulam o desenvolvimento de estruturas anatômicas em vários organismos, como equinodermos, [1] insetos, mamíferos e plantas. Os genes homeóticos frequentemente codificam proteínas do fator de transcrição, e essas proteínas afetam o desenvolvimento ao regular as redes de genes envolvidos nos padrões corporais. [2]

Mutações em genes homeóticos causam deslocamento de partes do corpo (homeose), como antenas que crescem na parte posterior da mosca em vez de na cabeça. [3] Mutações que levam ao desenvolvimento de estruturas ectópicas geralmente são letais. [4]


Oportunidades de graduação

O Grupo de Biologia Social (https://www.uwo.ca/biology/faculty/thompson/) da Western University no Canadá oferece várias vagas para estudantes de graduação.

1) Usando a análise de redes para entender a regulação gênica

Nosso grupo tem usado ciência de rede para entender como os genes interagem entre si para regular a expressão de características sociais. Procuramos um estudante com habilidade em análise bioinformática de genomas e interesse em insetos sociais para realizar análises de rede em transcriptomas / genomas emergentes de abelhas e cupins. Alguns trabalhos recentes da SBG neste tópico são os seguintes:

Guoth AW, Chernyshova AM, Thompson GJ. 2020. Contexto regulatório genético da esterilidade das abelhas trabalhadoras. BioSystems 198: 104235

Faragalla KM, Chernyshova AM, Gallo AJ, Thompson GJ. 2018. Da lista de genes à rede de genes: reconhecendo conexões funcionais que regulam traços comportamentais. JEZ-B 330: 317-329

Sobotka et al. 2016. Estrutura e função das redes de regulação gênica associadas à esterilidade do trabalhador em abelhas. Ecologia e Evolução 6: 1692-1701

Mullen et al. 2014. Redes de co-citação de genes associadas à esterilidade do trabalhador em abelhas. BMC Systems Biology 8: 38

2) Usando Drosófila para estudar sinalização conservada e atavismos comportamentais

Nosso grupo tem usado um Drosófila modelo para descobrir respostas conservadas a feromônios supressores de ovário extraídos de rainhas de abelhas. Por que alguns insetos não eussociais respondem ao feromônio rainha de maneira comparável a operárias altruístas não é claro, mas é fascinante e abre muitas questões experimentais. Precisamos de um aluno com experiência em Drosófila biologia e interesse em insetos sociais para identificar genes e neurônios essenciais para a responsividade a feromônios e a desativação do ovário. Há a perspectiva de expandir a análise para outros modelos não eussociais e até mesmo testar a supressão do crescimento das células ovarianas como um novo quimioterápico para combater o câncer em mamíferos.

Alguns trabalhos recentes da SBG neste tópico são os seguintes:

Galang KC, Croft JR, Thompson GJ, Percival-Smith A. 2019. Analysis of the Drosófila resposta anti-ovariana ao feromônio mandibular da rainha das abelhas. Biologia Molecular de Insetos 28: 99-111

Croft JR, Liu T, Camiletti AL, Simon AF, Thompson GJ. 2017. Resposta sexual masculina Drosófila ao feromônio mandibular da rainha da abelha melífera: implicações para estudos genéticos de insetos sociais. Journal of Comparative Physiology - A 203: 143-149

Camiletti AL, Percival-Smith A., Croft JR, Thompson GJ. 2016. Uma nova triagem para genes associados à esterilidade induzida por feromônios. Relatórios Científicos 6: 36041

Camiletti et al 2014. Como as moscas respondem ao feromônio das abelhas: o papel do forrageamento gene na resposta reprodutiva ao feromônio mandibular rainha. Naturwissenschaften 101: 25-31.

Camiletti et al 2013. Feromônio mandibular da rainha da abelha melífera inibe o desenvolvimento e a fecundidade dos ovários em uma mosca-das-frutas. Entomologia Experimentalis et Applicata 147: 262-268.

3) Sondar genomas de cupins para revelar assinaturas de evolução social

Nosso grupo há muito usa os cupins como um veículo para entender a casta e o comportamento. Procuramos um estudante com habilidade em análise de bioinformática de genomas e interesse em insetos sociais para realizar análises evolutivas em transcriptomas / genomas emergentes, incluindo novos conjuntos de dados de nossa própria autoria. Nossa espécie local de cupins também é altamente invasiva, portanto, este projeto traz a perspectiva de relacionar descobertas com a capacidade de invasão. & # 160

Alguns trabalhos recentes da SBG neste tópico são os seguintes:

Harrison MC, Chernyshova AM, Thompson GJ. 2020. Nenhuma assinatura óbvia em todo o transriptomo de seleção indireta em cupins. Journal of Evolutionary Biology 34: 403-415.

Thompson GJ, Chernyshova AM. 2020. Diferenciação de castas: fatores genéticos e epigenéticos. pp 165-176. In: Starr C. (eds) Enciclopédia de Insetos Sociais. Cham, Suíça: Springer.

Behl S, Wu T, Chernyshova AM, Thompson GJ. 2018. Genes polarizados por castas em cupins subterrâneos são taxonomicamente restritos: implicações para o recrutamento de novos genes durante a evolução de casta de cupins. Insectes Sociaux 65: 593-599

Wu T, Dhami GK, Thompson GJ. 2018. A expressão gênica tendenciosa do soldado em um cupim subterrâneo implica a especialização funcional da casta defensiva. Evolução e Desenvolvimento 20: 3-16

Gao e Thompson 2015. O contexto social afeta a expressão do gene imunológico em um cupim subterrâneo. Insectes Sociaux. 62: 167-179.

Scaduto et al 2012. Evidência genética para múltiplas invasões de cupins subterrâneos orientais no Canadá. Entomologia Ambiental. 41: 1680-1686.

4) Eixo cérebro-intestino de abelhas e outros insetos eussociais

Trabalhando em estreita colaboração com nosso colaborador Gregor Reid no Lawson Health Research Institute, nosso grupo estabeleceu um papel para os probióticos na dieta para manipular a composição da microbiota intestinal das abelhas, com efeitos positivos na saúde e imunidade. Procuramos um aluno com habilidade em análise comportamental de abelhas para relacionar essas descobertas ao comportamento social em um ambiente apiário controlado.

Alguns trabalhos recentes da SBG neste tópico são os seguintes:

Daisley BA, Pitek AP, Chmiel JA, Gibbons S, Chernyshova AM, Al KF, Faragalla KM, Burton JP, Thompson GJ, Reid G. 2020. Lactobacillus spp. atenuar a desregulação imunológica e da microbiota induzida por antibióticos em abelhas. Biologia das Comunicações 3: Artigo 534

Daisley BA, Chmiel JA, Pitek AP, Thompson GJ, Reid G. 2020. Micróbios ausentes nas abelhas: como a depleção sistemática de simbiontes chave corrói a imunidade. Tendências em microbiologia 28: 1010-1021

Chmiel JA, Daisley BA, Pitek AP, Thompson GJ, Reid G. 2020. Compreendendo os efeitos da exposição subletal a pesticidas em abelhas: um papel dos probióticos como mediadores do estresse ambiental. Fronteiras em ecologia e evolução 8: Artigo 22

Daisley BA, Pitek AP, Chmiel JA, Al KF, Chernyshova AM, Faragalla KM, Burton JP, Thompson GJ, Reid G. 2019. Novel probiotic approach to counter Larvas de Paenibacillus infecção em abelhas. The ISME Journal 14: 476-491


Integração de redes reguladoras de genes na compreensão do comportamento animal

Rede neuronal (NN) - interações da rede reguladora de genes (GRN). Dimensões espaciais (inferior): diferentes células (neurônios), conectadas pelo NN, podem exibir atividades GRN diferentes, embora o próprio GRN permaneça inalterado. GRN inclui relações de ativação (seta verde) e repressivas (martelo vermelho) entre genes (círculos). A expressão do gene é indicada por borda preta ou cinza, representando alta e baixa expressão, respectivamente. Os sinais transportados por NN podem influenciar a expressão gênica em uma célula (seta rotulada como “Sinalização Neural”), e a atividade do GRN em uma célula pode influenciar a expressão gênica em outra célula, por exemplo, via sinalização neuroendócrina. Dimensões temporais (canto superior direito, setas mais grossas indicam interações mais rápidas): A transmissão de mensagem rápida (escala de milissegundo a segundo) pelo NN ("disparo neural") pode induzir, via sinalização neural, a atividade de genes iniciais imediatos (IEGs) associados com o comportamento, desencadeando uma cascata de mudanças transcricionais e epigenéticas mais lentas mediadas por um GRN comportamental (bGRN) na escala de segundos a dias. Essas mudanças podem realimentar o NN se os níveis de neurorreceptores ou neurotransmissores forem afetados. Em alguns casos, as mudanças mediadas por bGRN podem levar a mudanças de desenvolvimento, mediadas por dGRNs, em uma escala de tempo lenta de dias, meses ou mesmo através de gerações. Essas mudanças lentas de desenvolvimento podem afetar a morfologia do cérebro e causar crescimento neuronal ou religação, realimentando o NN. Crédito: Universidade de Illinois em Urbana-Champaign

Durante anos, os cientistas atribuíram o comportamento animal às atividades coordenadas das células neuronais e seus circuitos de neurônios, conhecidos como rede neuronal (NN). No entanto, os pesquisadores estão expandindo os limites da compreensão do comportamento animal por meio da integração da regulação gênica.

Alimentado por uma colaboração de longa data com Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB), Diretor e professor de entomologia Gene Robinson na Universidade de Illinois Urbana-Champaign, o novo Diretor de Genômica Computacional do IGB e o professor de ciência da computação Saurabh Sinha ajudaram a organizar um workshop sobre "Evolução Cis-Regulatory in Development and Behavior" em 2018 para impulsionar uma nova linha de pensamento.

"Uma das descobertas notáveis ​​de um estudo liderado por Gene e seus colaboradores foi que mais insetos eussociais pareciam ter algo diferente sobre seu genoma regulador", disse Sinha. "Parecia que havia algum tipo de assinatura evolutiva de comportamento social complexo que não esperávamos e foi uma dessas descobertas que realmente fez você repensar as implicações."

O workshop de dois dias reuniu pessoas de um conjunto diversificado de conjuntos de habilidades, onde ideias foram trocadas e desafiadas durante discussões sobre vários tópicos. Dois anos depois, os resultados dessas discussões culminaram em um artigo de perspectiva publicado na Proceedings of the National Academy of Science.

"O ponto de partida para essa perspectiva é que o NN é o padrão de fato para entender o que se passa no cérebro como pertinente ao comportamento", disse Sinha. "Nosso objetivo era destacar outro nível de dinâmica que acompanha o comportamento e não apenas a dinâmica do NN."

Os autores da perspectiva sintetizaram evidências atuais sobre o papel das redes regulatórias de genes (GRNs) - uma coleção de interações regulatórias entre genes - no contexto do comportamento animal junto com os NN. Os GRNs associados ao comportamento (bGRNs) impactam as mudanças de expressão gênica associadas a um determinado comportamento animal, enquanto os GRNs de desenvolvimento (dGRNs) influenciam o desenvolvimento de novas células e conexões no cérebro. A integração de NNs, bGRNs e dGRNs em várias escalas tem potencial na compreensão de como essas redes funcionam em conjunto para regular o comportamento animal.

"Nosso primeiro objetivo era simplesmente enfatizar a importância do GRN no contexto comportamental, antes de especular sobre como o GRN poderia interagir com o NN, uma vez que falta pesquisa atual", disse Sinha. "Um exemplo de uma interação entre o NN e GRN poderia ser a modulação da atividade de transmissão neuronal através do controle da expressão de proteínas ou peptídeos pelo GRN."

Por meio do mapeamento experimental dessas redes, as mudanças na expressão gênica podem ser correspondidas com comportamentos em diferentes tipos de células. As tecnologias emergentes desempenharão um papel fundamental nesses esforços. "Medir a expressão do gene no cérebro tem sido repleto de heterogeneidade do cérebro, onde você tem tantos tipos de células diferentes", disse Sinha. "O fato de termos a tecnologia de célula única realmente decolando significa que podemos ter uma resolução adequada de GRNs no cérebro e, portanto, examinar como os GRNs específicos do tipo de célula interagem com a transmissão do sinal através do NN."

A perspectiva também toca em como os fatores ambientais e o comportamento social afetam os GRNs, que então modulam a função e o comportamento dos NNs. “O ambiente pode induzir mudanças epigenéticas e mais duradouras que, então, fazem com que o GRN se torne diferente”, disse Sinha. "Olhar para a função cerebral não apenas através das lentes do NN, mas também através dos GRNs nos permite trazer o meio ambiente de uma forma confiável. Em relação ao comportamento social, provavelmente há uma diferença no GRN de abelhas mais eussociais, e isso é um ponto de partida para a possibilidade intrigante de que o comportamento social tenha algumas características únicas em seus GRNs. "

Com o surgimento de tecnologias, análises futuras de bGRNs e o intercâmbio entre bGRNs, dGRNs e NNs em vários contextos comportamentais irão fornecer uma compreensão mais profunda do comportamento animal.


Efeitos da dose do gene, cromatina e topologia de rede na expressão em Drosophila melanogaster

Deleções, comumente chamadas de deficiências pelos geneticistas de Drosophila, são ferramentas valiosas para mapear genes e para descoberta de vias genéticas por meio de telas de supressor e potenciador dependente da dose. Mais recentemente, tornou-se claro que os desvios da dosagem normal do gene estão associados a vários distúrbios em uma variedade de espécies, incluindo humanos. Embora estejamos começando a entender alguns dos efeitos transcricionais causados ​​por mudanças na dosagem do gene e os pontos de quebra de rearranjo cromossômico associados a eles, muito deste trabalho se baseia em exemplos isolados. Examinamos sistematicamente as deficiências do braço esquerdo do cromossomo 2 e caracterizamos as respostas de dosagem gene a gene que variam de expressão colapsada por meio de compensação parcial de dosagem modesta até compensação total ou até mesmo excessiva. Encontramos efeitos de longo alcance desprezíveis na criação de novos domínios cromossômicos em pontos de quebra de deleção, sugerindo que os casos de regulação gênica devido à arquitetura nuclear alterada são raros. Esses raros casos incluem a desrepressão trans, quando as deficiências eliminam a cromatina caracterizada como repressiva em outros estudos. Geralmente, os efeitos dos pontos de interrupção na expressão são promotores proximais (

100 bp) ou no corpo do gene. Os efeitos das deficiências em todo o genoma estão em genes com relações regulatórias com genes dentro dos segmentos excluídos, destacando os defeitos de rede de expressão sutis nesses fundos genéticos sensibilizados.

Declaração de conflito de interesse

Os autores declararam que não existem interesses conflitantes.

Bonecos

Fig 1. Respostas transcricionais à cópia do gene ...

Fig 1. Respostas transcricionais à cópia do gene no cromossomo 2L.

Fig 2. Compensação de dosagem autossômica de Df…

Fig 2. Compensação de dosagem autossômica de Df / + genes com diferentes níveis de expressão ou tecido ...

Fig 3. Respostas gênicas de uma cópia em ...

Fig 3. Respostas gênicas de uma cópia em diferentes Df / + definições.

Fig 4. Interrupção da cromatina e / ou 3D ...

Fig 4. Ruptura da cromatina e / ou domínios nucleares 3D por Df rompe.

Fig 5. Diferença baseada no sexo em uma cópia ...

Fig 5. Diferença baseada no sexo na expressão do gene de uma cópia.

A) Boxplots de expressão gênica em ...

Fig 6. Ruptura da estrutura linear do DNA ...

Fig 6. Ruptura da estrutura linear do DNA por Df rompe.

A) Expressão gênica de duas cópias ...

Fig 7. Propagação da perturbação da dose do gene ...

Fig 7. Propagação da perturbação da dose do gene em redes de genes.

Os nós representam genes e seus ...

Fig 8. Propagação e dissipação do gene ...

Fig 8. Propagação e dissipação da perturbação da dose do gene em redes correlacionadas positivamente.

Fig 9. Df. causa a expressão do gene em todo o genoma ...

Fig 9. Df. causa mudança na expressão do gene em todo o genoma de uma maneira dependente do fundo genético.

Fig 10. Replicar reprodutibilidade nos resultados de RNA-Seq ...

Fig 10. Replicar a reprodutibilidade nos resultados de RNA-Seq e determinação do ponto de corte da expressão gênica.


Base molecular da linguagem Honey Bee Dance

A abelha melífera é o único não mamífero a ter uma linguagem simbólica, a linguagem da dança abelha destrói nossa percepção do que o cérebro de um inseto pode realizar e fornece um grande desafio para descobrir como um cérebro pequeno pode gerar um comportamento complexo. Usamos ferramentas neuroquímicas e novas genômicas desenvolvidas em nosso laboratório e o genoma da abelha melífera recentemente concluído para ajudar nessa busca. Um dos primeiros avanços foi a descoberta de que a cocaína, agindo nas vias endógenas da octopamina, faz as abelhas dançarem mais!


Conclusões

As redes aqui identificadas representam hipóteses de como as operárias regulam seus ovários para controlar a reprodução. No contexto de suas colônias eussociais, esta maquinaria reprodutiva é de significância direta para a teoria sociogenômica que postula a existência de "genes para o altruísmo" [79, 80]. Esses genes raramente foram encontrados [81], mas as redes apresentadas aqui, juntamente com outros esforços para descrever como os genes interagem entre si e com seu ambiente celular, físico e social [12, 26], fornecem um ponto de partida a partir do qual podemos começam a testar ideias sobre o papel de genes específicos nos fenótipos reprodutivos, incluindo a perspectiva de encontrar genes para a esterilidade das operárias. Uma abordagem pode ser usar experimentos genômicos funcionais que perturbem os genes hub ou seus vizinhos e, em seguida, monitorar o fenótipo do trabalhador. Em particular, será útil medir como os nocautes afetam os fenótipos das operárias relacionados à reprodução, incluindo a resposta ao feromônio mandibular da rainha, ativação do ovário e postura de ovos, bem como outras medidas de divisões sociais no trabalho de parto, como transições de enfermeira para forrageadora ou especializações forrageiras. Finalmente, sugerimos que estudos futuros incorporem informações de co-expressão e interações de proteínas de abelhas, de modo que as redes possam ser feitas a partir de Apis genes diretamente, sem a necessidade de conversão para Drosófila, e não dependeria da disponibilidade um tanto aleatória de dados de cocitação no PubMed. Eventualmente, será possível expandir as redes além da expressão de mRNA para incorporar dados regulatórios e do metaboloma e, assim, fornecer uma descrição ainda mais funcional do mecanismo que regula a fisiologia ovariana e o altruísmo reprodutivo em operárias de abelhas.

Disponibilidade de dados de apoio

Os arquivos adicionais que suportam os resultados deste artigo estão incluídos no artigo.


Um gene de planta pode ter ajudado a mosca branca a se tornar uma grande praga

As moscas brancas (uma das fotos) são insetos semelhantes a pulgões que se alimentam das folhas de centenas de plantas. Um gene adquirido de uma planta há pelo menos 35 milhões de anos permite que as pragas neutralizem uma defesa química comum utilizada por muitas plantas.

Jixing Xia e Zhaojiang Guo

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Em algum momento entre 35 milhões e 80 milhões de anos atrás, uma mosca branca pousou em uma folha e começou a sugar sua doce seiva. Aquela refeição fatídica forneceu mais do que açúcar. De alguma forma, um gene da planta entrou no genoma da mosca-branca, sugere um novo estudo, e pode ter ajudado seus ancestrais a se tornarem uma das pragas agrícolas mais notórias da atualidade.

O gene ajuda as plantas a neutralizar e armazenar com segurança certas moléculas tóxicas que usam para deter os herbívoros. Em moscas brancas (Bemisia tabaci), permite que os insetos se alimentem da flora, sem se deixar abater por uma das melhores armas químicas do mundo das plantas, relatam pesquisadores em 25 de março em Célula. Esta troca de genes de planta para inseto é a segunda já documentada e o exemplo mais claro de um inseto efetivamente comandando o kit de ferramentas genéticas de sua “presa” para usá-lo contra eles.

“Dez ou 20 anos atrás, ninguém pensava que esse tipo de transferência de gene era possível”, diz Roy Kirsch, ecologista químico do Instituto Max Planck de Ecologia Química em Jena, Alemanha, que não esteve envolvido no estudo. “Existem tantas barreiras que um gene deve superar para passar de uma planta a um inseto, mas este estudo mostra claramente que isso aconteceu e que o gene fornece um benefício para as moscas-brancas.”

A troca de genes é comum entre as bactérias (SN: 31/10/11), e ocasionalmente acontece entre micróbios intestinais e seus hospedeiros animais. Conhecido como transferência horizontal de genes, esse processo permite que os organismos contornem a natureza lenta da herança de pais para filhos e adquiram instantaneamente genes moldados por gerações de seleção natural. Mas um salto genético de plantas para insetos, linhagens separadas por pelo menos um bilhão de anos de evolução, foi documentado apenas uma vez antes, também em moscas brancas.

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As moscas brancas são insetos semelhantes a pulgões que se alimentam de mais de 600 plantas diferentes ao redor do globo. A ampla dieta das pragas perniciosas deriva em parte de sua capacidade de escapar de muitas defesas comuns de plantas (SN: 4/4/19) Enquanto procuravam os genes subjacentes a essa capacidade, os pesquisadores na China encontraram algo estranho em três espécies de mosca-branca intimamente relacionadas - um gene, chamado BtPMaT1, cuja existência fora das plantas não é conhecida.

Dois cenários podem explicar esse padrão. Ou o gene surgiu no ancestral comum das plantas e insetos e foi subsequentemente extinto em todos os ramos intermediários da árvore da vida, ou as moscas brancas de alguma forma adquiriram o gene das plantas. Como as plantas e os insetos estão relacionados de forma tão distante, o último cenário é “muito, muito mais provável”, diz Kirsch. Essas três espécies de mosca-branca se dividiram há cerca de 35 milhões de anos, sugerindo que já adquiriram o gene antes disso. Mas parentes próximos que divergiram 80 milhões de anos atrás não têm o gene, sugerindo que a transferência aconteceu dentro dessa janela.

O gene permite que as plantas armazenem uma classe comum de substâncias químicas defensivas chamadas glicosídeos fenólicos, neutralizando as toxinas até que os herbívoros comecem a mastigar. “Os glicosídeos fenólicos são muito tóxicos para os insetos”, diz o co-autor do estudo Ted Turlings, ecologista químico e entomologista da Universidade de Neuchâtel, na Suíça. A possibilidade de que as moscas brancas possam usar um gene de desintoxicação de planta para tolerar toxinas de plantas atormentou os colegas de Turlings na China.

Os pesquisadores inseriram um pouco de RNA em plantas de tomate no laboratório. Uma vez ingerido por moscas-brancas, o RNA foi projetado para desativar seus BtPMaT1 gene. Então, a equipe soltou as moscas brancas. Depois de uma semana alimentando-se de cinco plantas geneticamente alteradas, quase todas as cerca de 2.500 moscas brancas estavam mortas, em comparação com apenas cerca de 20 por cento daquelas que se alimentaram de plantas inalteradas. Tal efeito drástico sugere que este gene desempenha um papel importante em ajudar a mosca-branca a contornar as defesas das plantas, diz Turlings.

Como exatamente uma planta BtPMaT1 acabou em moscas brancas permanece um mistério. Os vírus podem acidentalmente transportar pedaços de DNA entre os hospedeiros, e Turlings suspeita que isso provavelmente tenha acontecido aqui. “Este é um evento extremamente raro, mas quando você está falando sobre bilhões de insetos e plantas interagindo ao longo de milhões de anos, torna-se mais possível”, diz ele. A transferência horizontal de genes pode ser "um mecanismo importante para que as pragas ganhem habilidades para lidar com as defesas das plantas".

A primeira troca de genes de planta para inseto documentada, relatada em 23 de setembro em Relatórios Científicos, também ocorreu em moscas-brancas, embora a função do gene nessa troca seja menos clara. Pode não ser uma coincidência, porém, que os dois exemplos conhecidos de tal evento ocorreram no mesmo inseto herbívoro.

“As vidas das moscas-brancas e de suas plantas hospedeiras estão intimamente interligadas”, diz Shannon Soucy, microbiologista evolucionista do Dartmouth College que não esteve envolvido na pesquisa. Essa exposição consistente prepara o sistema para ficar pronto para esse tipo de evento, diz ela, o que acabou permitindo que as moscas brancas usassem esse gene de defesa da planta contra seu criador.

Perguntas ou comentários sobre este artigo? Envie-nos um e-mail para [email protected]

Nota do Editor & # 039s:

Esta história foi atualizada em 1º de abril de 2021, para corrigir que quase todas (não todas) as moscas-brancas que comeram as plantas geneticamente alteradas no experimento morreram.

Uma versão deste artigo aparece na edição de 24 de abril de 2021 da Notícias de ciência.

Citações

W.J. Lapadula, M.L. Mascotti e M.J. Ayub. Os genomas da mosca-branca contêm genes codificadores de ribotoxinas adquiridos de plantas. Relatórios Científicos. Vol. 10, 23 de setembro de 2020. doi: 10.1038 / s41598-020-72267-1.

Sobre Jonathan Lambert

Jonathan Lambert é o redator da equipe de ciências biológicas, cobrindo tudo, desde a origem das espécies até a ecologia microbiana. Ele tem um mestrado em biologia evolutiva pela Cornell University.


Fundo

Trypanosoma brucei tem um ciclo de vida digenético com distintas formas morfológicas existentes durante seu desenvolvimento no hospedeiro mamífero e na mosca tsé-tsé [1]. Na corrente sanguínea dos mamíferos, as formas morfológicas são tripomastigotas delgadas e atarracadas, enquanto na mosca tsé-tsé, compreendem formas tripomastigotas procíclicas no intestino médio, epimastigotas longos e curtos no proventrículo e epimastigotas curtos e tripomastigotas metacíclicos nas glândulas salivares [2, 3]. Maioria T. brucei a pesquisa se concentrou na corrente sanguínea de mamíferos e nas formas procíclicas tsé-tsé de tripanossomos, pois são relativamente mais fáceis de manter em em vitro culturas [4, 5]. Consequentemente, isso levou a uma menor exploração dos fenótipos do parasita na mosca tsé-tsé, o que poderia fornecer informações sobre a biologia de um tripanossomo durante seu desenvolvimento no vetor - a fase do ciclo de vida conhecida como "o coração das trevas" [6]. O conhecimento do desenvolvimento do tripanossomo na mosca tsé-tsé contribuirá para os esforços de interrupção da transmissão da doença pelo vetor. Isso pode ser alcançado por meio da interrupção direcionada dos processos moleculares essenciais do parasita, como motilidade, regulação da diferenciação, remodelação morfológica e transdução de sinal [7, 8].

Na última década, a tecnologia de RNA-Seq tem sido uma ferramenta fundamental para estudar perfis de expressão gênica de T. brucei e outros cinetoplastídeos com o objetivo de ampliar o conhecimento sobre sua biologia [9]. Isso ocorre porque o RNA-Seq fornece uma quantificação e caracterização abrangente e mais precisa do transcriptoma em comparação com as técnicas baseadas em hibridização, como microarray [10]. Além da identificação de genes expressos diferencialmente, os dados do transcriptoma também podem ser usados ​​para criar redes de coexpressão de genes que fornecem uma compreensão funcional e molecular dos principais processos biológicos em um organismo [11, 12].

A análise da rede de co-expressão gênica visa identificar padrões de expressão gênica coordenada que indicam relações funcionais entre os genes expressos. Usando um método como o WGCNA [13], genes altamente correlacionados são agrupados em módulos (clusters de genes) que atualmente são considerados co-expressos e, portanto, desempenham funções biológicas semelhantes [14]. Acredita-se que cada módulo codifique uma função biológica específica com base nos genes que contém. Para associar genes em um determinado módulo a funções específicas, uma análise de enriquecimento é realizada em bancos de dados como a ontologia de genes (GO) [15] e a Enciclopédia de Kyoto para Genes e Genomas (KEGG) [16].

Além disso, o WGCNA permite a identificação de genes centrais intramodulares, que geralmente são os genes altamente conectados em um módulo [13, 17]. Esses genes centrais podem desempenhar papéis importantes nas funções biológicas de seus módulos ou atuar como representantes de sua função biológica predominante [11]. Além disso, com base na hipótese de que genes funcionalmente relacionados podem ser co-regulados, os módulos de rede de co-expressão são úteis na análise de regulação gênica, incluindo a previsão de elementos regulatórios (motivos) para genes no mesmo módulo [18, 19]. Além disso, funções de genes não caracterizados são previstas com base em sua co-expressão com genes de função conhecida na rede de co-expressão, um princípio conhecido como “culpa por associação” [12].

O presente estudo teve como objetivo gerar uma rede de co-expressão gênica para explorar genes funcionalmente relevantes envolvidos na T. brucei desenvolvimento no vetor da mosca tsé-tsé. Em contraste com um T. brucei Rede de co-expressão gênica gerada a partir de um estudo anterior para formas procíclicas e da corrente sanguínea usando dados de microarray [20], nosso estudo focou nas formas morfológicas do estágio de inseto do parasita por meio da análise de dados de RNA-Seq. A rede de co-expressão de genes construída permitiu a identificação de 12 módulos funcionalmente relevantes e seus 12 genes centrais, bem como motivos regulatórios potenciais nas regiões 3 'não traduzidas do mRNA para genes agrupados no mesmo módulo.


'Reação em cadeia' espalha o gene através dos insetos

Em 28 de dezembro de 2014, Valentino Gantz e Ethan Bier verificaram as moscas da fruta que acabaram de eclodir em seu laboratório na Universidade da Califórnia (UC), em San Diego. Pelas regras clássicas da genética mendeliana, apenas uma em cada quatro moscas recém-nascidas deveria ter mostrado os efeitos da mutação que suas mães carregavam, um traço recessivo ligado ao X que causa uma perda de pigmentação semelhante ao albinismo. Em vez disso, nada além de moscas amarelo-claras continuaram emergindo. “Ficamos chocados”, disse Bier, que é Ph.D. de Gantz. conselheiro. “Era como se o sol nascesse no oeste, e não no leste.” Eles elaboraram um artigo e o enviaram para Ciência 3 dias depois.

No estudo, publicado online esta semana, Gantz e Bier relatam que a mutação introduzida desativou ambas as cópias normais de um gene de pigmentação nos cromossomos da mosca-das-frutas, transmitindo-se para a próxima geração com 97% de eficiência - uma invasão quase completa do genoma . O segredo de seu sucesso: um kit de ferramentas de edição de genes cada vez mais popular chamado CRISPR, que Gantz e Bier adaptaram para dar à mutação uma vantagem esmagadora. A técnica é o mais recente - e alguns dizem, o mais impressionante - exemplo de impulso genético: enviesar a herança para espalhar um gene rapidamente por uma população, ou mesmo por uma espécie inteira. Com este nível de eficiência, um único mosquito equipado com um gene bloqueador de parasitas poderia, em teoria, espalhar a resistência à malária por toda uma população reprodutora em uma única estação (veja o diagrama).

O artigo surge em meio a uma intensa busca da alma entre os pesquisadores do gene drive, com chamadas para o diálogo público e autopoliciamento da tecnologia. George Church, um geneticista da Harvard Medical School em Boston que é um líder na área, acredita que o novo estudo não deveria ter sido publicado, porque não inclui medidas para conter a propagação de mutações indesejadas. “É um passo longe demais”, diz ele.

Criar um sistema de geração de genes não era o objetivo original de Gantz, diz Bier. “Estávamos apenas tentando resolver um problema prático.” Gantz estuda o desenvolvimento das veias das asas da mosca-das-frutas, para as quais ele deve criar moscas com múltiplas mutações. Esse é um trabalho normalmente árduo, exigindo um grande número de moscas ao longo de muitas gerações para criar um único multimutante. No verão passado, Gantz fez um ajuste no sistema CRISPR, no qual uma proteína bacteriana projetada, Cas9, usa uma cadeia de RNA para encontrar e excluir, substituir ou editar uma sequência de DNA alvo. Ao equipar o cassete do gene CRISPR com sequências de DNA que flanqueiam o gene alvo, Gantz esperava criar uma mutação que "se autocatalisaria". Uma vez incorporado em um cromossomo, ele produziria novas cópias do complexo CRISPR que teria como alvo e editaria o gene em todos os lugares em que aparecesse.

Bier percebeu que o cassete de gene autorreplicante de Gantz poderia causar impulsão genética. Após discussões com a UC San Diego, a universidade deu luz verde ao experimento se certas medidas de biossegurança fossem tomadas: as moscas são mantidas em três camadas de tubos e caixas, e o laboratório é trancado atrás de cinco portas com segurança por impressão digital.

Gantz and Bier knew they had achieved the first goal, making double mutants in one step, on 18 December last year, when yellow female flies developed from embryos injected with a CRISPR cassette targeting the X chromosome pigmentation gene. But they wanted to know whether the engineered gene could make it through the germ cells and invade the next generation. The yellow flies they saw on 28 December confirmed that it did, and with 97% efficiency.

The technique is “fantastic,” says geneticist Anthony James of UC Irvine, whose lab made the first transgenic mosquitoes nearly 2 decades ago with a far more laborious technique. Bier and James are already collaborating to create a mosquito equipped with genes designed to block the transmission of malaria and dengue fever—and to quickly spread through a population. “We’re hoping for results by the end of the year,” James says.

It’s not the only horse in the gene drive race. Church’s group also has a CRISPR approach that works at near-perfect efficiency in yeast. It includes built-in precautions designed to prevent the system from running amok. For example, Church avoids incorporating Cas9’s gene and the targeting RNA sequence into a single cassette, so that unintended genes can’t become accidentally incorporated and spread. Because Gantz and Bier’s method does not have such safeguards, “it encourages a standard of behavior that is much lower than what we’re recommending,” Church says. “What will spread is not literally their mutant flies, but their protocol.”

Bier rejects the criticism. “The safeguards that [Church] is using in yeast just can’t work in flies,” he notes. “I bristle when people say that we haven’t thought carefully about this,” adds James, who last year co-authored a World Health Organization report on precautions for use of transgenic mosquitos. “And how could we not publish this work? Nothing is served by hiding things. The whole point is to show that it is possible and have a public discussion.”


The evolution of developmental gene networks: lessons from comparative studies on holometabolous insects

Recent comparative studies have revealed significant differences in the developmental gene networks operating in three holometabolous insects: the beetle Tribolium castaneum, the parasitic wasp Nasonia vitripennis and the fruitfly Drosophila melanogaster. I discuss these differences in relation to divergent and convergent changes in cellular embryology. I speculate on how segmentation gene networks have evolved to operate in divergent embryological contexts, and highlight the role that co-option might have played in this process. I argue that insects represent an important example of how diversification in life-history strategies between lineages can lead to divergence in the genetic and cellular mechanisms controlling the development of homologous adult structures.

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