De regulatie van voedselopname en vertering als doelwit voor alternatieve plaaginsectenbestrijding.

Voedselopname en vertering zijn noodzakelijk om voldoende bouwstoffen en energie te verkrijgen en anabole processen zoals groei, ontwikkeling en reproductie te laten plaatsvinden. Het is essentieel voor dieren om te kunnen reageren op verscheidene interne en omgevingssignalen en om deze te kunnen relateren aan hun nutritionele toestand. Een strikt regulatiesysteem is noodzakelijk in alle dieren om te verzekeren dat de opname en vertering van voedsel kunnen plaatsvinden en dynamisch gereguleerd worden. Deze regulatie wordt grotendeels bewerkstelligd door het endocriene en zenuwstelsel. Neuropeptiden zijn alomtegenwoordige en essentiële signaalmoleculen die als neurotransmitters, neuromodulators of circulerende neurohormonen kunnen functioneren in diverse processen die onderhevig zijn aan controle door het endocrien of zenuwstelsel. Eén van de vele neuropeptiden die voedselopname en vertering controleren in insecten, is sulfakinine (SK). SK is een gesulfateerd neuropeptide dat homoloog is aan de vertebrate neuropeptiden cholecystokinine en gastrine.

SK inhibeert de voedselopname en reguleert ook darmcontracties in verscheidene insecten. De fruitvlieg, Drosophila melanogaster, is het enige insect waarbij tot nu toe meerdere effecten van SK op voeding en vertering gerapporteerd zijn. Om de kennis van het SK signaalsysteem uit te breiden, werd in deze studie gebruik gemaakt van twee complementaire modelorganismen uit de klasse van insecten. Van de kastanjebruine rijstmeelkever, Tribolium castaneum, is een volledig gesequeneerd en geannoteerd genoom beschikbaar dat toeliet om verschillende componenten van de SK signaalweg te kloneren en karakteriseren. Uit de treksprinkhaan, Locusta migratoria, werd het SK peptide reeds geïsoleerd en kon dit bijgevolg gebruikt worden om in vivo effecten te onderzoeken. De relatieve grootte van
L. migratoria maakt micro-injecties met peptiden en microdissecties tot vanzelfsprekende onderzoekstechnieken. Beide insecten die gebruikt worden in deze studie staan geboekstaaft als belangrijke plaaginsecten, die een enorme economische en humanitaire impact veroorzaken door het verorberen van gecultiveerde gewassen en opgeslagen voedselbronnen van de mens.

Een belangrijke stap in het karakteriseren van neuropeptiderge signaalsystemen is de identificatie en functionele koppeling van een neuropeptide aan zijn (G-proteïne gekoppelde) receptor. In de huidige studie slaagden wij erin om twee mogelijke SK receptoren van
T. castaneum te kloneren en aan te tonen dat beide geactiveerd worden door de endogene SKs met behulp van een in vitro cel-gebaseerde ontwezingstechniek. Stimulering van de sulfakinine receptoren leidde tot een verhoging van de intracellulaire cAMP en Ca2+ concentraties en toonde aan dat de geactiveerde receptoren koppelen aan deze signaalwegen in de gebruikte cellijnen. Daarenboven slaagden we er in om aan te tonen dat het gesulfateerde tyrosine residu en het C-terminale HMRFamide tetrapeptide van SK essentieel zijn voor de activering van de receptoren met hoge affiniteit.

Een qRT-PCR studie uitgevoerd in T. castaneum lokaliseerde SK receptor transcripten in de hersenen en optische lobben en in mindere mate in de perifere weefsels. In L. migratoria werd een hoge relatieve expressie van de SK receptor waargenomen in de hersenen en het verteringsstelsel. De expressie van de verschillende componenten van het SK signaalsysteem wordt beïnvloed door uithongering: in T. castaneum werd een significante opregulatie waargenomen bij uithongering, terwijl de SK receptor minder tot expressie kwam in uitgehongerde L. migratoria.

Er werden meerdere experimenten uitgevoerd bij L. migratoria om bijkomend inzicht te verwerven over de regulatie van voeding en vertering door SK. SK injectie leverde bevestiging voor het eerder gedocumenteerde inhiberende van dit neuropeptide op voedselopname. Daarenboven veroorzaakten SK injecties een significante daling van enzymactiviteit in secreties afkomstig van de middendarm en caeca en werd het verwijderen van voedselresten en verteringsenzymen uit de caeca ook gemedieerd door SK. Het gesulfateerde tyrosine residu bleek essentieel te zijn voor de biologische functies van SK in
L. migratoria. SK-geïnduceerde effecten op enzymsecretie en het ledigen van de caeca werden teniet gedaan door de neerregulatie van het SK receptor transcript in L. migratoria.

Samenvattend kunnen we stellen dat deze studie de eerste gedetailleerde karakterisering van de farmacologie en signalering van SK receptoren in insecten beschrijft. Het SK systeem wordt duidelijk beïnvloed door uithongering in de gebruikte modelinsecten. Daarenboven werd aangetoond dat SK voedselopname inhibeert, secretie van verteringsenzymen verlaagt en het transport van verteringssappen en voedselpartikels door de darm beïnvloedt. Deze bevindingen dragen in grote mate bij tot onze kennis over het SK signaalsysteem en zijn functies in insecten.