Differentiële transcriptomics in de regulatie van de vertering en de opname van protease-inhibitoren bij de woestijnsprinkhaan Schistocerca gregaria.

Insecten behoren tot de meest succesvolle organismen op aarde. Een belangrijke verklaring voor dit succes is hun uitzonderlijke vermogen om op efficiënte wijze een grote variëteit aan voedingsstoffen te nuttigen. Net zoals andere heterotrofe organismen, moeten ook insecten hun essentiële nutriënten opnemen via het voedsel. Hun darmkanaal vormt hiervoor het centrale orgaan. De belangrijkste functies van dit orgaan zijn de efficiënte enzymatische vertering van het voedsel en de daaropvolgende nutriëntopname in de middendarm, en de bescherming van het organisme tegen chemicaliën, micro-organismen en mechanische schade veroorzaakt door het voedsel. Om deze functies efficiënt te kunnen uitvoeren, beschikt het insectendarmkanaal over meerdere specifieke regionale aanpassingen, en kan het bovendien, zowel op anatomisch als moleculair niveau, zeer flexibel reageren op specifieke voedselsamenstellingen. Deze centrale rol in het leven van het insect maakt van het insectendarmkanaal een veelvuldig onderzocht insectenorgaan. Vooral de algemene morfologie van het darmkanaal alsook de aanwezige spijsverteringsenzymen werden voor meerdere insectensoorten reeds in detail beschreven. Hiertegenover staat echter de relatief beperkte kennis inzake de moleculaire regulatie van de spijsvertering en nutriëntopname bij insecten.

Insecten hebben een belangrijke sociaaleconomische impact. Meerdere insectensoorten vormen een aanzienlijke bedreiging voor de gezondheid en voedselvoorziening van een groot deel van de wereldbevolking, en worden bijgevolg als plaagsoorten beschouwd. Insectenplagen worden op verschillende wijzen, voornamelijk gebaseerd op biologische en chemische middelen, bestreden. Veel van de gebruikte chemische insecticiden zijn echter nefast voor de mens en het milieu, waardoor de vraag naar nieuwe, milieubewuste(re) insecticiden de laatste jaren sterk is toegenomen. Bovendien blijken steeds meer plaaginsecten resistent te worden tegen frequent gebruikte insecticiden. Een veelbelovend alternatief bestrijdingsmiddel omvat het specifiek uitschakelen van essentiële, vitale moleculen in het plaaginsect, idealiter resulterend in zijn vroegtijdige dood, waardoor de negatieve impact op mens en natuur beperkt blijven. Zulke target moleculen kunnen onder andere gevonden worden in het insectendarmkanaal. Maar vooraleer deze ontdekt kunnen worden, is een verbeterde kennis van de algemene moleculaire samenstelling van de insectendarm noodzakelijk.

Tijdens dit doctoraatsonderzoek werden de tijdsgebonden transcriptveranderingen in de middendarm van de woestijnsprinkhaan, Schistocerca gregaria, gedurende het spijsverteringsproces door middel van RNA sequenering (RNA-Seq) in kaart gebracht. Door zijn relatieve grootte en polyfaag karakter vormt de woestijnsprinkhaan een ideaal onderzoeksorganisme voor studies naar de spijsvertering bij insecten. De RNA-Seq gegevens werden eerst gebruikt om een referentie transcriptoom van de middendarm van S. gregaria op te stellen. Dit transcriptoom werd geraadpleegd om het specifieke transcriptenprofiel van dit weefsel in detail te bestuderen. Vervolgens werd een differentiële genexpressie analyse uitgevoerd met als doel de veranderingen in het transcriptenprofiel van de middendarm tussen twee uur en vierentwintig uur na voedselopname te bestuderen. In totaal werden 569 en 212 respectievelijk differentieel op- en neergereguleerde genen twee uur na de voedselopname geïdentificeerd. Dit toonde duidelijk aan dat de woestijnsprinkhaan zeer snel de expressie van verschillende, spijsverterings-gerelateerde, genen kan doen toenemen als reactie op de beschikbaarheid van voedsel in het darmkanaal.

Vervolgens werd de lijst van opgereguleerde transcripten twee uur na voedselopname doorzocht naar mogelijk lethale doelwitten met betrekking tot plaagbestrijding. Twee opgereguleerde transcripten werden, op basis van hun voorspelde sleutelfunctie in de darm van de woestijnsprinkhaan, onderworpen aan verdere in vivo experimenten: een vacuolar-type H+-ATPase (H+ V-ATPase) subunit a coderend transcript, Sg-VAHa_1, en een Niemann-Pick C1 b (NPC1b) coderend transcript, Sg-NPC1b. In het algemeen zijn H+ V-ATPase complexen in insecten belangrijk voor het genereren van gunstige membraanpotentialen, waarmee het transepitheel transport van moleculen wordt bevorderd, terwijl NPC1b proteïnen voorspeld worden een centrale rol te spelen in de opname van vitale sterolen in de middendarm. Om het belang van beide transcripten voor de vertering en levensvatbaarheid van de woestijnsprinkhaan nader te onderzoeken, werden hun genproducten uitgeschakeld door middel van RNA interferentie (RNAi) gemedieerde knockdowns. De RNAi-gemedieerde knockdowns van beide transcripten resulteerden binnen de twee weken na initiatie in sterke ontwikkelingsdefecten en hoge sterftecijfers, waarmee het vitale belang van beide transcripten voor de woestijnsprinkhaan werd benadrukt. Deze RNAi-experimenten demonstreerden tevens de mogelijkheid om essentiële genen te ontdekken in het S. gregaria middendarm-transcriptoom, en beklemtoonden daarmee het veelbelovend potentieel van deze kandidaat-doelwitten voor de bestrijding van plaaginsecten.

Dit doctoraatsonderzoek geeft voor de allereerste keer een inzicht in het middendarm-transcriptoom van S. gregaria gedurende het spijsverteringsproces. De bekomen informatie werd gebruikt om de regulatie van voedselopname en vertering in dit insect verder te onderzoeken. Bovendien genereerde dit onderzoek een brede en veelbelovende lijst van potentiele moleculaire doelwitten in de middendarm die getest kunnen worden met het oog op de ontwikkeling van nieuwe insecticiden.