Майкъл Р. Странд

Катедра по ентомология, Университет на Джорджия, Атина, Джорджия, 30602, Съединени американски щати

Резюме

Около 3500 вида комари (семейство Culicidae) съществуват по целия свят, от които няколко са известни вектори на патогени, които причиняват болести при хора и други гръбначни животни. Комарите също така приемат съобщества от микроби в храносмилателния си тракт, които образуват чревна микробиота. Последните проучвания дават важна информация за това как комарите придобиват чревна микробиота и общността на микробите, които присъстват. Резултатите също така показват, че чревната микробиота засяга няколко аспекта на биологията на комарите. Като цяло тези ефекти оказват влияние върху годността на комарите с потенциални последици за разпространението на болестта.

Въведение

Всички комари са водни по време на младежките си етапи и сухоземни като възрастни [1]. Ларвите консумират предимно органичен детрит, едноклетъчни организми и малки безгръбначни, докато възрастните от двата пола обикновено се хранят с екстрафлорни нектари [2,3]. Възрастните жени също обикновено се хранят с кръв от гръбначни животни, което осигурява хранителни вещества за производството на яйца, но може да доведе до предаване на патогени между гостоприемниците [1]. Проучвания от началото на 1900 г. отбелязват, че ларвите и възрастните комари имат пристанища на извънклетъчни микроби в храносмилателния си тракт, които образуват чревна микробиота [4–6]. Само през последните 10 години тези микробни общности и тяхната роля в биологията на комарите са изследвани по-широко. Резултатите, обобщени в няколко скорошни рецензии, показват, че чревната микробиота на възрастни комари може както положително, така и отрицателно да повлияе на компетентността на вектора, което се отнася до способността на женските да придобиват, поддържат и предават патогени на гръбначни [7–10]. Това кратко резюме се фокусира върху това как комарите придобиват чревна микробиота, състава на общността и известните ефекти върху развитието на ларвите и физиологията на възрастните.

Придобиване на чревна микробиота от ларви на комари

Културно-базирани проучвания първоначално предполагат, че ларвите на комарите изхвърлят чревната си микробиота в меконий при метаморфоза и че възрастните излизат от фазата на кученцето с малко или никакви чревни микроби [29]. Тези резултати допълнително предлагат възрастни да си възвърнат чревната микробиота, като попиват вода от местообитанието на ларвите и/или се хранят с ресурси като екстрафлорни нектари. Контролираните експерименти, съчетани с анализ на състава на чревната общност, предоставят сериозни доказателства, че ларвите на Aedes и Anopheles трансстадиално предават част от чревната си микробиота на възрастни [13, 30, 31]. След това обаче чревната микробиота на възрастните може да се промени чрез консумация на вода, нектар или други хранителни източници, съдържащи микроби [32–35]. Кръвта на гръбначните обикновено съдържа малко или никакви микроби, но няколко проучвания показват, че консумацията на кръвно хранене постоянно или преходно променя състава на чревната микробиота чрез промени в редокс състоянието или метаболизма [35–41]. Инфекцията от различни патогени, пренасяни от вектори, също може да повлияе на състава на чревната микробиота чрез неизвестни механизми [26, 41–44].

Състав на чревната микробиота

С изключение на четенето на редки последователности, повечето проучвания показват, че бактериалното разнообразие в червата на комарите е ниско (≤200 вида) в сравнение с гръбначните [12]. Оценките на разнообразието при комарите обаче са сравними с други холометаболни насекоми, които придобиват чревната си микробиота от околната среда [11, 49]. Съобщени са разлики в разнообразието на бактериални видове между стадиите на ларвите на Culex quinquefasciatus [60]. Изследванията на Aedes aegypti освен това показват, че значителен брой бактерии в червата умират в края на всяка инсталация преди линеене, което предоставя възможност за промяна на състава на чревната общност в следващия момент [61]. Други модели на отбелязване включват, че разнообразието от бактериални видове е постоянно по-високо при ларвите на комарите, отколкото при възрастните [13, 15, 18, 47], и че разнообразието е по-ниско при лабораторно отглежданите комари от същия вид [13, 14, 35].

Функционални роли на чревната микробиота в ларвите на комарите

Няколко ранни проучвания съобщават, че ларвите на комарите показват по-висока смъртност и/или забавен растеж до етапа на кученцето, когато изобилието от микроби във водното местообитание е намалено [4, 5, 19]. Съвсем наскоро се съобщава и за повишена смъртност и забавен растеж, когато ларвите се третират с антибиотици [66, 67], докато се съобщава, че инокулирането на ларви с определени бактерии или дрожди стимулира растежа [68, 69]. Тези открития колективно предполагат положителна роля на чревната микробиота в развитието на ларви на комари, въпреки че използваните подходи не дават представа за съответните механизми. Лечението с антибиотици също не елиминира напълно чревната микробиота поради високи нива на резистентност при няколко членове на бактериална общност и нечувствителност на членовете на еукариотната общност [47].

Алтернативно, повърхностните стерилизиращи яйца произвеждат аксенови ларви без чревна микробиота, които след това могат да бъдат хранени с стерилна диета и/или инокулирани с известни микроби, за да се получат гнотобиотични ларви [13]. Този подход показа, че аксенното Ae. aegypti за първи живот консумират стандартна диета за отглеждане, като конвенционалните (нестерилни) ларви, но не растат, което води до смърт на ларвите след няколко дни като първи инсталации [13]. За разлика от тях, Escherichia coli и няколко други вида бактерии, идентифицирани като членове на чревната общност в различни популации на Ae. aegypti [13, 48] колонизират средното черво на аксеновите ларви и спасяват растежа, докато мъртвите бактерии не го правят [13]. Аксенни ларви от полски събрани популации на Ae. aegypti, както и няколко други вида комари показват по-нататък същите реакции [13, 18, 47], което общо предполага, че няколко комара се нуждаят от живи бактерии в червата като ларви за растеж и линене.

Като се обмисля как бактериите могат да стимулират растежа, последните проучвания показват, че Ae. aegypti ларви, инокулирани със смесена общност от бактерии или див тип E. coli, показват значително по-ниски нива на кислород в червата в средната част на червата (хипоксия), отколкото аксенови ларви или лаптопи с гнотобиотични бактерии, дефектни за аеробно дишане [61] Това предполага, че бактериите в средното черво предизвикват реакция на хипоксия на червата, която може да функционира като сигнал за растеж. Функционалните анализи, подкрепящи тази хипотеза, включват констатацията, че чревната хипоксия активира индуцирани от хипоксия транскрипционни фактори (HIF) в Ae. aegypti ларви, което води до активиране на инсулин/инсулиновия растежен фактор, изберете митоген активирани кинази и други процеси с основни функции за растеж [61, 70] (Фигура 1). Анализът на транскриптом също идентифицира няколко гена с функции в храносмилането и усвояването на хранителни вещества като допълнителни цели, които потенциално се регулират от чревната микробиота или индуцирана от микробиота хипоксия [71].

функционални

Схема, илюстрираща известните ефекти на чревната микробиота върху растежа на ларвите и усвояването на хранителни вещества. А. Когато в лумена на средното черво присъстват живи микроби, нивата на кислород в червата падат под 5%, HIF-α се стабилизира с получената HIF сигнализация, стимулираща: 1) пролиферация и диференциация на чревни стволови клетки (ISC) в ендокринни клетки (EE) и ентероцити, 2) инсулин-инсулинов растежен фактор сигнализиране (IIS), 3) митоген активирана киназа (MAPK) сигнализация и 4) биосинтез и транспорт на неутрални липиди (NL) от ентероцити в средата на червата (ECs) до мастното тяло. Б. Когато живи микроби отсъстват от лумена на средното черво, нивата на кислород в червата остават над 5%, което е свързано с липса на стабилизиране на HIF-α и: 1) липса на пролиферация на ISC, 2) липса на активиране на IIS, 3) не активиране на MAPK сигнализиране и 4) биосинтез на неутрални липиди в ЕС, но липса на транспорт до мастното тяло.

Ефекти на чревната микробиота върху функцията на средното черво при възрастни комари

В допълнение към влиянието върху векторните показатели за компетентност и фитнес като размер и плодовитост, няколко проучвания показват, че чревната микробиота влияе и върху функцията на средните черва при възрастни комари. Те включват доказателства, базирани на перорално антибиотично лечение на възрастен An. gambiae, че чревната микробиота влияе върху експресията на имунния ген в средното черво [50]. Антибиотично лечение на възрастен An. coluzzi освен това предполагат, че чревната микробиота е необходима за образуването на перитрофична матрица около кръвното болус след кръвно хранене [41]. На свой ред, увреденото образуване на перитрофичен матрикс позволява на бактериите да се свържат с клетките на средното черво, което може да играе роля в променената експресия на имунните гени и повишен риск от системна инфекция от чревни микроби [41]. Други резултати включват чревната микробиота в храносмилането на храната или директно чрез хемолитичната активност на някои членове на общността, или индиректно чрез въздействие върху функцията на средното черво [76].

Заключения

В допълнение към влиянието върху компетентността на вектора, настоящите резултати показват, че чревната микробиота влияе върху растежа на ларвите, фитнес на възрастни и избира други признаци, които вероятно засягат популациите на вектори и разпространението на заболяването. Резултатите, публикувани през последните десет години, значително подобряват разбирането за това как комарите придобиват чревна микробиота и състав на общността, но с пристрастие към изследванията на бактерии. Занапред е необходима допълнителна информация за идентичността и разнообразието на едноклетъчните еукариоти в червата на комарите, както и проучвания, които започват да изследват как взаимодействат определени мрежи от микроби, стабилността на различните общности и техните ефекти върху годността на комарите. Как диетата на комарите, местообитанието и други фактори взаимодействат, за да оформят състава на чревната микробиота, също е до голяма степен неизвестно. Докато няколко скорошни статии сочат, че чревната микробиота влияе положително върху физиологията на комарите, разбирането за основните механизми остава недостатъчно проучено. За да се обърне внимание на този проблем, са необходими повече експериментални данни, които официално да изследват как чревната микробиота влияе върху растежа и други физиологични процеси и функцията на определени членове на общността в тези процеси.

Благодарности

Написването на това резюме и някои от докладваните резултати са подкрепени с безвъзмездна помощ от Националните здравни институти (R01AI106892) и Националната научна фондация (IOS 1656236).

Бележки под линия

Отказ от отговорност на издателя: Това е PDF файл на нередактиран ръкопис, който е приет за публикуване. Като услуга за нашите клиенти ние предоставяме тази ранна версия на ръкописа. Ръкописът ще бъде подложен на редактиране, набиране и преглед на полученото доказателство, преди да бъде публикуван в окончателния си вид. Моля, обърнете внимание, че по време на производствения процес могат да бъдат открити грешки, които биха могли да повлияят на съдържанието, и всички правни откази от отговорност, които се отнасят до списанието, се отнасят до.

Препратки и препоръчително четене

Докладите от особен интерес, публикувани в периода на преглед, бяха подчертани като: