Michael Lang

1 CNRS UMR7592, Univ Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Institut Jacques Monod, 15 rue Hélène Brion, 75205 Paris cedex 13, France

Sophie Murat

1 CNRS UMR7592, Univ Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Institut Jacques Monod, 15 rue Hélène Brion, 75205 Paris cedex 13, France

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Andrew G. Clark

3 Departamentul de Biologie Moleculară și Genetică, Universitatea Cornell, Ithaca, NY SUA

Géraldine Gouppil

1 CNRS UMR7592, Univ Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Institut Jacques Monod, 15 rue Hélène Brion, 75205 Paris cedex 13, France

Catherine Blais

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Luciano M. Matzkin

4 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea Alabama din Huntsville, 301 Sparkman Drive, Huntsville AL 35899, SUA

Emilie Guittard

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Takuji Yoshiyama - Yanagawa

5 Absolvent School of Life and Environment Sciences, Universitatea din Tsukuba, Tennoudai 1-1-1, Tsukuba, Ibaraki 305-8572, Japonia

6 Departamentul de Biosștiințe Integrate, Școala Absolventă de Științe Frontiere, Universitatea din Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8562, Japonia

Hiroshi Kataoka

6 Departamentul de Biosștiințe Integrate, Școala Absolventă de Științe Frontiere, Universitatea din Tokyo, 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba 277-8562, Japonia

Ryusuke Niwa

5 Absolvent School of Life and Environment Sciences, Universitatea din Tsukuba, Tennoudai 1-1-1, Tsukuba, Ibaraki 305-8572, Japonia

René Lafont

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Chantal Dauphin - Villemant

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Virginie Orgogozo

1 CNRS UMR7592, Univ Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité, Institut Jacques Monod, 15 rue Hélène Brion, 75205 Paris cedex 13, France

2 UPMC, Univ Paris 06, CNRS, Bâtiment A, 7 quai Saint Bernard, 75005 Paris, Franța

Date asociate

Abstract

Majoritatea speciilor vii exploatează o gamă limitată de resurse. Cu toate acestea, se știe puțin despre modul în care se formează legături strânse în timpul evoluției între speciile specializate și gazdele pe care le utilizează. Am examinat dependența Drosophila pachea de gazda sa unică, cactusul senita. Mai multe modificări ale aminoacizilor din oxigenaza Neverland au făcut ca D. pachea să nu poată transforma colesterolul în 7-dehidrocolesterol (prima reacție în calea biosintetică a hormonului steroid la insecte) și astfel a făcut ca D. pachea să depindă de sterolii neobișnuiți ai plantei sale gazdă. Mutațiile Neverland cresc supraviețuirea pe steroli neobișnuiți ai cactusului și se află într-o regiune genomică care s-a confruntat cu o selecție pozitivă recentă. Acest studiu ilustrează cât de puține modificări genetice într-o singură genă pot restricționa nișa ecologică a unei specii.

60 de generații) fără defecte aparente (8).

pachea

Calea biosintetică presupusă a ecdysonei (A) și NVD în D. pachea. (B) Structura proteinei NVD. (C) Alinierea mai multor secvențe de proteine ​​NVD. Cinci mutații (cutii) au fost testate in vitro. Pentru alinierea secvențelor proteice NVD complete cu specii de insecte suplimentare, vezi fig. S8.

Conversia colesterolului în 7DHC este catalizată de oxigenaza domeniului Rieske conservat evolutiv Neverland (NVD) la insecte și nematode (9, 10). Pentru a testa dacă mutația (mutările) din nvd sunt responsabile pentru dependența de D. pachea de cactusul său gazdă, am secvențiat regiunea de codificare nvd (8) din D. pachea și cele trei specii cele mai înrudite D. nannoptera, D. acanthoptera și D wassermani, care se hrănesc cu alți cactuși (11) (Tabelul S1-2, fig. S1). Nu s-au găsit codonii de oprire sau inserții/ștergeri în secvența D. pachea, dar raportul ratelor de substituție nesinonimă (dN) față de substituția sinonimă (dS) este semnificativ mai mare în ramura care duce la D. pachea (Tabelele S3, fig. S2). Am observat că mai mulți aminoacizi care prezintă o conservare ridicată între insecte și vertebrate sunt diferiți în D. pachea NVD (Fig. 1B - C). Am observat că la D. pachea larvele de a treia etapă, la fel ca la D. melanogaster (9) și D. acanthoptera, nvd este exprimat doar în glanda protoracică (fig. S3), un organ a cărui singură funcție cunoscută este producția de ecdisonă (12) . Prin urmare, concluzionăm că funcția NVD, dacă există, ar trebui să fie legată de producția de hormoni steroizi.

Cactusul senita nu conține colesterol și nici 7DHC, dar produce alți trei steroli - latosterol, campestenol și schottenol (6) - care, dacă sunt folosiți ca precursori pentru sinteza hormonilor steroizi, sunt de așteptat să conducă la diferiți hormoni steroizi, respectiv 20-hidroxidizona, makisterona A și makisterona C (fig. S4), datorită incapacității Drosophila de a dezalchila fitosteroli (13). Steroizii din extractele de D. pachea au fost separați prin HPLC și fracțiile de interes au fost analizate prin spectroscopie de masă. Am detectat ecdisonă și 20-hidroxiexidonă, dar nici urmă de makisteron A sau makisteron C (fig. S5) Aceste rezultate sugerează că D. pachea folosește doar latosterol și nu ceilalți steroli senita cactus ca precursori ai hormonului steroid.

Deoarece conversia colesterolului în 7DHC biochimic seamănă cu transformarea latosterolului în 7DHC (Fig. 1A), am emis ipoteza că D. pachea NVD convertește latosterolul mai degrabă decât colesterolul în 7DHC (14). Pentru a testa această ipoteză, am generat muște transgenice D. melanogaster în care gena nvd endogenă este oprită de interferența ARN (ARNi) și înlocuită cu D. pachea nvd. Muștele D. melanogaster nvd RNAi nu se dezvoltă pe alimente cu muște obișnuite (9) și nici pe alimente suplimentate cu latosterol, totuși ajung la stadiul adult cu alimente cu muște obișnuite suplimentate cu 7DHC (9) (Fig. 2, Tabelul S4). Așa cum era de așteptat, introducerea D. pachea nvd în D. melanogaster nvd RNAi fly salvează dezvoltarea alimentelor suplimentate cu latosterol, dar nu cu colesterol (Fig. 2). Acest lucru demonstrează că D. pachea NVD poate folosi latosterol, dar nu colesterolul ca substrat (Fig. 1A).

Supraviețuirea zbura pe diferite medii alimentare. WT: muște de control, Dm nvd RNAi: knockout RNAi de tip sălbatic D. melanogaster nvd, + Dp nvd: salvat cu tip sălbatic D. pachea nvd, + Dp nvd 4mut: salvat cu D. pachea nvd A250G I330L T376A G377E. Proporția muștelor fiecărui genotip este indicată în raport cu numărul fraților masculi UAS-nvd RNAi Sb (8, Tabelul S4). Barele arată media, iar barele de eroare sunt SE.

Activitatea enzimei NVD cu colesterol (stânga, gri) sau cu latosterol (dreapta, alb). (A) enzime NVD de tip sălbatic (WT). (B) Enzime D. mojavensis NVD care conțin mutații unice. (C) D. enzime pachea care conțin mutații inverse. Barele reprezintă activitate medie, bare de eroare SD și puncte de date. Rețineți că două teste de tip sălbatic D. mojavensis nvd au fost utilizate în testele noastre. Activitatea enzimatică este indicată ca procent în raport cu activitatea NVD obținută cu un construct nvd D. mojavensis care include gena nvd 5'UTR (9). Toate constructele D. mojavensis testate în (B) conținea acest 5'UTR. Linia punctată indică activitatea D. D. mojavensis NVD de tip sălbatic (construct care conține 5'UTR) în (B) și D. acanthoptera NVD WT activitate în (C).

Regiunea nvd se află în selecție pozitivă. (A) Statisticile omega ale lui Kim și Stephan în întreaga regiune nvd. Valorile Omega peste nivelul de semnificație indică o baleiere selectivă. Regiunile de codificare nvd sunt reprezentate mai jos, cu poziția celor cinci modificări ale aminoacizilor testați în violet. (B) Complot de bifurcație haplotip. Cercurile indică situri polimorfe în gena nvd (portocalie) și în loci vecini (albastru). Grosimea liniei este proporțională cu numărul de probe cu haplotipul indicat. (C) Reprezentarea genotipurilor a 34 de indivizi. Barele negre indică pozițiile heterozigoților. Site-urile homozigote pentru alele rare nu sunt afișate. (D) Poziția lociilor secvențați în regiunea nvd. Adnotările genetice sunt în portocaliu.

Un scenariu probabil este că D. pachea a dezvoltat mai întâi o rezistență la compușii toxici ai cactusului senită și a devenit încet limitat la această sursă de hrană, deoarece a scăpat de concurența cu alte specii de muște. Evoluția rezistenței D. pachea cel mai probabil nu a implicat NVD, deoarece nvd nu este exprimat în intestinul mediu și corpul gras (fig. S3), organele de detoxifiere la insecte (16). Pe măsură ce latosterolul a devenit sursa unică de steroli a D. pachea pentru sinteza hormonilor steroizi, au apărut mutații în NV care au abolit activitatea NVD asupra colesterolului și s-au fixat rapid datorită efectului lor benefic cu latosterolul. Drept urmare, D. pachea a devenit un specialist obligat pe cactusul senită. Subliniem că, pe lângă mutațiile nvd, mutațiile în alte gene ar fi putut contribui și la dependența D. pachea de latosterol. Alternativ, mutațiile nvd identificate s-ar fi putut răspândi în timp ce strămoșii D. pachea se hrăneau încă cu diferite plante și, astfel, ar fi putut accelera specializarea sa ecologică. Studiul nostru, care a descoperit mai multe mutații care stau la baza legăturii obligatorii dintre o specie specializată și gazda acesteia, ilustrează modul în care câteva mutații într-o singură genă pot restricționa nișa ecologică a unei specii.

Material suplimentar

Metale materiale/Texte // Figura și tabele suplimentare

Mulțumiri

Îi mulțumim domnului Joron pentru harta termică LD, M.-A. Félix, N. Gompel și C. Desplan pentru comentarii asupra manuscrisului, C. Parade pentru ajutor în munca de teren, T.A. Markow pentru probele de D. pachea, C.S. Thummel și DSSC pentru muște, Y. Hiromi pentru reactivi, T. Blasco pentru analizele LC-MS/MS și M. Gho pentru găzduirea VO în 2009-2010. Susținut de CNRS ATIP-AVENIR (către VO), bursa post-doctorală a Ministerului de Externe francez (către ML), subvenția NIH AI064950 (către AGC), Programul de cooperare bilaterală JSPS Japonia-Franța (către HK și CDV), premiul NSF DEB-1020009 (către LMM), bursă post-doctorală JSPS (către TYY), fonduri speciale de coordonare pentru promovarea științei și tehnologiei MEXT (către RN) și Amylin Endowment (către TA Markow). Secvențele nvd au fost depuse în Genbank sub numerele de acces JF764559 la JF764595 și JX066807 la JX067384.

Note de subsol

Autorii nu declară niciun conflict de interese.