יתושי אנופלס עמידים בפני קוטלי חרקים מאתיופיה, אך לא בורקינה פאסו, מציגים שינויים בהרכב המיקרוביוטה לאחר חשיפה לקוטלי חרקים | טפילים ווקטורים

המלריה נותרה גורם עיקרי למוות ולמחלות באפריקה, עם הנטל הגדול ביותר בקרב ילדים מתחת לגיל 5 שנים. האמצעים היעילים ביותר למניעת המחלה הם חומרים קוטלי וקטורים נגד חרקים המכוונים ליתושים בוגרים של אנופלס. כתוצאה מהשימוש הנרחב בהתערבויות אלה, התנגדות לסוגים הנפוצים ביותר של קוטלי חרקים נפוצה כיום ברחבי אפריקה. הבנת המנגנונים הבסיסיים המובילים לפנוטיפ זה חיונית הן כדי לעקוב אחר התפשטות ההתנגדות והן כדי לפתח כלים חדשים להתגבר עליה.
במחקר זה, השווינו את הרכב המיקרוביום של אוכלוסיות Anopheles gambiae, Anopheles cruzi ו-Anopheles arabiensis עמידים לקוטלי חרקים מבורקינה פאסו עם אוכלוסיות רגישות לקוטלי חרקים, גם מאתיופיה.
לא מצאנו הבדלים בהרכב המיקרוביוטה בין עמידים לקוטלי חרקים לביןקוטל חרקים-אוכלוסיות רגישות בבורקינה פאסו. תוצאה זו אוששה על ידי מחקרי מעבדה של מושבות משתי מדינות בורקינה פאסו. לעומת זאת, ביתושי Anopheles arabiensis מאתיופיה נצפו הבדלים ברורים בהרכב המיקרוביוטה בין אלו שמתו לאלו ששרדו חשיפה לקוטלי חרקים. כדי לחקור עוד את העמידות של אוכלוסיית Anopheles arabiensis זו, ביצענו רצף RNA ומצאנו ביטוי דיפרנציאלי של גנים לניקוי רעלים הקשורים לעמידות קוטלי חרקים, כמו גם שינויים בתעלות יונים נשימתיות, מטבוליות וסינפטיות.
התוצאות שלנו מצביעות על כך שבמקרים מסוימים המיקרוביוטה עשויה לתרום להתפתחות עמידות לקוטלי חרקים, בנוסף לשינויים בתעתיקים.
למרות שעמידות מתוארת לעתים קרובות כמרכיב גנטי של וקטור האנופלס, מחקרים עדכניים הראו שהמיקרוביום משתנה בתגובה לחשיפה לקוטלי חרקים, מה שמצביע על תפקיד של אורגניזמים אלה בעמידות. ואכן, מחקרים על וקטורי יתושים של Anopheles gambiae בדרום ומרכז אמריקה הראו שינויים משמעותיים במיקרוביום האפידרמיס בעקבות חשיפה לפירטרואידים, כמו גם שינויים במיקרוביום הכולל בעקבות חשיפה לאורגנו-פוספטים. באפריקה, עמידות לפירתרואידים נקשרה לשינויים בהרכב המיקרוביוטה בקמרון, קניה וחוף השנהב, בעוד ש-Anopheles gambiae המותאמים למעבדה הראו שינויים במיקרוביוטה שלהם בעקבות בחירה לעמידות לפירתרואידים. יתר על כן, טיפול ניסיוני באנטיביוטיקה ותוספת של חיידקים ידועים ביתושי Anopheles arabiensis שהושבו במעבדה הראו סבילות מוגברת לפירטרואידים. יחד, נתונים אלה מצביעים על כך שעמידות קוטלי חרקים עשויה להיות קשורה למיקרוביום היתושים ושניתן לנצל היבט זה של עמידות קוטלי חרקים לשליטה בוקטור של מחלות.
במחקר זה, השתמשנו ברצף 16S כדי לקבוע אם המיקרוביוטה של ​​יתושים שנאספו במעבדה ונאספו בשדה במערב ומזרח אפריקה הייתה שונה בין אלה ששרדו לאלה שמתו לאחר חשיפה לדלתאמטרין פירטרואיד. בהקשר של עמידות לקוטלי חרקים, השוואת מיקרוביוטה מאזורים שונים באפריקה עם מינים ורמות עמידות שונות יכולה לעזור להבין השפעות אזוריות על קהילות חיידקים. מושבות המעבדה היו מבורקינה פאסו וגודלו בשתי מעבדות אירופיות שונות (An. coluzzii בגרמניה ו-An. arabiensis בבריטניה), יתושים מבורקינה פאסו ייצגו את כל שלושת המינים של ה-An. מתחם מיני גמביה, ויתושים מאתיופיה ייצגו את An. arabiensis. כאן, אנו מראים כי לאנופלס arabiensis מאתיופיה היו חתימות מיקרוביוטה מובהקות ביתושים חיים ומתים, בעוד לאנופלס arabiensis מבורקינה פאסו ושתי מעבדות לא. מטרת מחקר זה היא להמשיך ולחקור עמידות לקוטלי חרקים. ביצענו ריצוף RNA על אוכלוסיות Anopheles arabiensis ומצאנו שגנים הקשורים לעמידות קוטלי חרקים היו מווסתים, בעוד שגנים הקשורים לנשימה השתנו בדרך כלל. שילוב של נתונים אלה עם אוכלוסייה שנייה מאתיופיה זיהה גנים מרכזיים לניקוי רעלים באזור. השוואה נוספת עם Anopheles arabiensis מבורקינה פאסו גילתה הבדלים משמעותיים בפרופילי התעתיק, אך עדיין זיהתה ארבעה גנים מרכזיים לניקוי רעלים שבאו לידי ביטוי יתר ברחבי אפריקה.
לאחר מכן רצף יתושים חיים ומתים מכל מין מכל אזור באמצעות רצף 16S וחושב השפע היחסי. לא נצפו הבדלים בגיוון אלפא, מה שמצביע על שום הבדלים בעושר של יחידות טקסונומיות תפעוליות (OTU); עם זאת, גיוון בטא השתנה באופן משמעותי בין מדינות, ומונחי אינטראקציה עבור מדינה ומצב חי/מת (PANOVA = 0.001 ו-0.008, בהתאמה) הצביעו על כך שקיים גיוון בין גורמים אלה. לא נצפו הבדלים בשונות בטא בין מדינות, מה שמעיד על שונות דומות בין הקבוצות. עלילת קנה המידה הרב-משתני של Bray-Curtis (איור 2A) הראתה שדגימות היו מופרדות במידה רבה לפי מיקום, אך היו כמה חריגים בולטים. מספר דוגמאות מה-An. קהילת arabiensis ודוגמה אחת מה-An. קהילת coluzzii חפפה דגימה מבורקינה פאסו, ואילו דגימה אחת מ-An. דגימות arabiensis מבורקינה פאסו חפפו את ה-An. מדגם קהילתי arabiensis, מה שעשוי להצביע על כך שהמיקרוביוטה המקורית נשמרה באופן אקראי לאורך דורות רבים ועל פני מספר אזורים. דגימות בורקינה פאסו לא היו מופרדות בבירור לפי מינים; חוסר הפרדה זה היה צפוי מכיוון שהפרטים קובצו לאחר מכן למרות שמקורם בסביבות זחלים שונות. ואכן, מחקרים הראו ששיתוף נישה אקולוגית בשלב המים יכול להשפיע באופן משמעותי על הרכב המיקרוביוטה [50]. מעניין לציין שבעוד שדגימות וקהילות היתושים של בורקינה פאסו לא הראו הבדלים בהישרדות או בתמותה של יתושים לאחר חשיפה לקוטלי חרקים, הדגימות האתיופיות היו מופרדות בבירור, מה שמרמז שהרכב המיקרוביוטה בדגימות אנופלס אלו קשור לעמידות לקוטלי חרקים. הדגימות נאספו מאותו מקום, מה שעשוי להסביר את הקשר החזק יותר.
עמידות לקוטלי חרקים פירטרואידים היא פנוטיפ מורכב, ובעוד ששינויים בחילוף החומרים ובמטרות נחקרו היטב, שינויים במיקרוביוטה רק מתחילים להיחקר. במחקר זה, אנו מראים ששינויים במיקרוביוטה עשויים להיות חשובים יותר באוכלוסיות מסוימות; אנו מאפיינים עוד עמידות לקוטלי חרקים ב-Anopheles arabiensis מ-Bahir Dar ומראים שינויים בתמלילים ידועים הקשורים להתנגדות, כמו גם שינויים משמעותיים בגנים הקשורים לנשימה, שהיו ניכרים גם במחקר קודם של RNA-seq על אוכלוסיות Anopheles arabiensis מאתיופיה. יחד, תוצאות אלו מצביעות על כך שעמידות קוטלי חרקים ביתושים אלו עשויה להיות תלויה בשילוב של גורמים גנטיים ולא גנטיים, ככל הנראה מכיוון שיחסים סימביוטיים עם חיידקים מקומיים עשויים להשלים את הפירוק קוטלי החרקים באוכלוסיות עם רמות עמידות נמוכות יותר.
מחקרים אחרונים קשרו נשימה מוגברת לעמידות לקוטלי חרקים, בהתאם למונחי האונטולוגיה המועשרים ב-Bahir Dar RNAseq והנתונים האתיופיים המשולבים שהתקבלו כאן; שוב מצביע על כך שהתנגדות גורמת לנשימה מוגברת, בין אם כגורם או כתוצאה של פנוטיפ זה. אם שינויים אלה יובילו להבדלים בפוטנציאל התגובתי של מיני חמצן וחנקן, כפי שהוצע בעבר, הדבר עלול להשפיע על יכולת וקטור וקולוניזציה מיקרוביאלית באמצעות עמידות חיידקית דיפרנציאלית לניקוי ROS על ידי חיידקים קומנסליים ארוכי טווח.
הנתונים המוצגים כאן מספקים ראיות לכך שהמיקרוביוטה יכולה להשפיע על עמידות לקוטלי חרקים בסביבות מסוימות. הדגמנו גם כי An. יתושי arabiensis באתיופיה מציגים שינויים דומים ב-transcriptome המקנים עמידות לקוטלי חרקים; עם זאת, מספר הגנים המקביל לאלה בבורקינה פאסו קטן. נותרו כמה סייגים לגבי המסקנות שהושגו כאן ובמחקרים אחרים. ראשית, יש להוכיח קשר סיבתי בין הישרדות פירטרואידים למיקרוביוטה באמצעות מחקרים מטבולומיים או השתלת מיקרוביוטה. בנוסף, יש להוכיח אימות של מועמדי מפתח במספר אוכלוסיות מאזורים שונים. לבסוף, שילוב של נתוני תעתיק עם נתוני מיקרוביוטה באמצעות מחקרים ממוקדים לאחר ההשתלה יספק מידע מפורט יותר האם המיקרוביוטה משפיעה ישירות על תעתיק היתושים ביחס לעמידות לפירתרואידים. עם זאת, ביחד, הנתונים שלנו מצביעים על כך שההתנגדות היא מקומית וגם חוצה לאומית, מה שמדגיש את הצורך לבדוק מוצרים קוטלי חרקים חדשים באזורים מרובים.