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# 生物学# 免疫学

ショウジョウバエの幼虫は細菌感染にどう立ち向かうのか

ショウジョウバエの幼虫は、有害なバイ菌と戦うためにユニークな免疫反応を見せるよ。

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ショウジョウバエの感染に対ショウジョウバエの感染に対する防御戦略を使ってるんだ。幼虫は有害なバイ菌に対抗するための独自の
目次

細菌感染は、有害な細菌が体に入ることで起こることがある。これがよくあるのは、汚染された食べ物を食べること。私たちの体には、こういった感染から守るためのシステムがある。細菌が腸に入ると、体はまず粘液のような物理的なバリアを使い、その後、細菌と戦うのに役立つ物質を作り出すなど、他の防御を活性化させる。

これらの防御がどう機能するかを理解するために、科学者たちはよく果実バエ(Drosophila melanogaster)などの昆虫を研究している。この昆虫は、免疫応答を理解するための役立つモデルとして知られている。果実バエの幼虫が細菌を食べると、特定の方法でこうした脅威に対処する。

Drosophilaの保護反応

果実バエの幼虫が汚染された食べ物を食べると、すぐに反応する。最初の反応の一つは、細菌を傷つけることができる分子を放出すること。この反応は細菌が腸に入ってから30分以内に起こる。幼虫の腸は、保護を助けるユニークな構造を持っている。そこには、細菌との直接接触を防ぐための粘液と他の保護膜がある。

特化した酵素であるDuoxが反応性酸素種(ROS)を生成する役割を担っていて、これは細菌を傷つける分子なんだ。このROSの生成は重要で、細菌を攻撃するだけでなく、幼虫の腸の筋肉を収縮させて、より早く細菌を排除する手助けもする。これらの筋肉の収縮は、特定のホルモン信号、特に利尿ホルモン31(Dh31)によって影響され、細菌を排除するための動きを引き起こす。

Dh31とTrpA1の役割

この免疫反応では、Dh31とTrpA1という受容体の2つの重要な成分がある。Dh31はROSに応じて特化した細胞から分泌される。TrpA1は、これらの有害な分子の存在を検出するのを助ける。二つは一緒に、細菌を腸の特定の部分に閉じ込めるのに重要な役割を果たしている。

幼虫が細菌を食べると、ROSが信号経路をトリガーしてDh31が放出され、筋肉が収縮して細菌を腸の前方部分に閉じ込める。このエリアはバルブのように機能し、細菌がさらに腸の奥に進むのを防ぎ、そこでより害を及ぼすことを防ぐ。

興味深いことに、研究者たちは、この閉じ込めメカニズムがヒトホルモンであるカルシトニン遺伝子関連ペプチド(hCGRP)によっても誘導されることを発見した。つまり、このシステムは適応可能で、外部の信号にも反応できる。

場所の重要性

腸内での細菌の位置は、幼虫がそれにどう反応するかにとって重要だ。研究によると、エルウィニア・カロトボラ(Erwinia carotovora)やバチルス・チューリンギエンシス(Bacillus thuringiensis)などの特定の細菌株は、食事の後に常に腸の前方部分に見つかっていた。この特定の局在は、細菌が腸の奥に進むのを防ぐ物理的な境界があることを示唆している。

対照的に、無害な細菌であるラクトプランティバチルス・プランタルム(Lactiplantibacillus plantarum)を与えられた場合、これらは同じように閉じ込められなかった。代わりに、腸の後方部分に移動し、ダメージを与えることなく持続した。これは免疫反応が選択的で、脅威となる細菌だけをターゲットにしていることを示している。

反応の変化

研究者たちは、細菌が摂取後に閉じ込められるのにどのくらいの時間がかかるかを調べる実験も行った。彼らは、腐敗した食べ物を食べてから15分以内に閉じ込められることがあることを発見した。この迅速な反応は、幼虫が防御をどれほど速く活性化できるかを示している。

幼虫の集団行動がこの閉じ込めメカニズムに影響を与えるかどうかを理解するために、孤立した幼虫と群れで餌を与えた幼虫の両方をテストした。彼らは、個々の幼虫でも効果的に細菌を閉じ込めることができることを発見し、この反応は集団にいることで影響を受けないことを示した。

関与する遺伝的要因

さらなる調査により、Drosophilaのゲノム内の特定の遺伝子がこの免疫反応にとって重要であることが分かった。TrpA1遺伝子は、細菌のブロックにとって重要であることが確認された。機能的なTrpA1が欠けている突然変異幼虫は病原菌を閉じ込めることができず、代わりに腸全体に広がり、死亡率が上昇する結果となった。

同様に、Dh31遺伝子も有害な細菌を効果的に閉じ込めるために不可欠だった。Dh31を生成できない突然変異幼虫は、腸の前方部分で細菌を局在させることができず、この信号経路の重要性が確認された。

ROSと筋肉収縮の役割

Duox酵素によって生成されるROSは、閉じ込めメカニズムを促進する上で重要であることが分かった。研究者たちが還元剤を用いてROSを中和すると、幼虫は細菌をブロックする能力を失い、死亡率が上昇した。これは、ROSが細菌に対して直接攻撃するだけでなく、免疫反応全体を引き起こす信号分子としても機能することを示している。

TrpA1とDh31経路からの物理的な筋肉の収縮も調査された。これらの収縮は、腸の前方部分で有害な細菌の妨害を維持するのに役立つ。免疫反応が正常に機能していると、そこで閉じ込められた病原菌は最終的に消え、免疫系によって排除されたことを示唆する。

IMD経路との接続

さらに、この研究は免疫欠損(IMD)経路が閉じ込められた細菌の排除に必要な重要な要素であることを特定した。細菌の初期な閉じ込めにはこの経路は必要なかったが、その後の抗菌ペプチド(AMP)の生成を通じて細菌を殺すには重要となる。

機能的なIMD経路が欠けている幼虫は、閉じ込められた細菌を効果的に排除できず、それが増殖し最終的な死亡を引き起こした。これにより、初期の閉じ込めメカニズムと、幼虫の生存を保証するIMD経路の下流効果の両方の重要性が強調された。

結論

Drosophila幼虫の免疫反応を理解することは、どのように生物が細菌感染から自分自身を守ることができるかについて貴重な洞察を提供する。このモデルは、物理的バリア、化学的防御、遺伝的要因が協力して有害な病原体を排除する洗練された相互作用を示している。

この研究は、ダイナミックなメカニズムを通じて効果的な免疫応答の可能性を強調し、これらの昆虫が細菌に満ちた環境で生き残ることを可能にしている。発見は、さまざまな生物が感染から自分たちを守る方法についてのさらなる研究の基盤を提供し、不可避な病原体への曝露に直面して、果実バエの幼虫が即時の防御と有害な細菌の効果的な排除をバランスさせた信頼できる戦略を発展させたことを示している。

オリジナルソース

タイトル: Spatial and temporal coordination of Duox/TrpA1/Dh31 and IMD pathways is required for the efficient elimination of pathogenic bacteria in the intestine of Drosophila larvae

概要: Multiple gut antimicrobial mechanisms are coordinated in space and time to efficiently fight foodborne pathogens. In Drosophila melanogaster, production of reactive oxygen species (ROS) and antimicrobial peptides (AMPs) together with intestinal cell renewal play a key role in eliminating gut microbes. A complementary mechanism would be to isolate and treat pathogenic bacteria while allowing colonization by commensals. Using real-time imaging to follow the fate of ingested bacteria, we demonstrate that while commensal Lactiplantibacillus plantarum freely circulate within the intestinal lumen, pathogenic strains such as Erwinia carotovora or Bacillus thuringiensis, are blocked in the anterior midgut where they are rapidly eliminated by antimicrobial peptides. This sequestration of pathogenic bacteria in the anterior midgut requires the Duox enzyme in enterocytes, and both TrpA1 and Dh31 in enteroendocrine cells. Supplementing larval food with hCGRP, the human homolog of Dh31, is sufficient to block the bacteria, suggesting the existence of a conserved mechanism. While the IMD pathway is essential for eliminating the trapped bacteria, it is dispensable for the blockage. Genetic manipulations impairing bacterial compartmentalization result in abnormal colonization of posterior midgut regions by pathogenic bacteria. Despite a functional IMD pathway, this ectopic colonization leads to bacterial proliferation and larval death, demonstrating the critical role of bacteria anterior sequestration in larval defense. Our study reveals a temporal orchestration during which pathogenic bacteria, but not innocuous, are confined in the anterior part of the midgut in which they are eliminated in an IMD pathway dependent manner. AUTHOR SUMMARYTypically, when considering the immune response of animals to infection, we focus on classical immunity, encompassing both innate and adaptive aspects such as antimicrobials and circulating immune cells. However, a broader perspective on immunity includes additional strategies that enhance host protection, such as behavioral avoidance and internal mechanisms that restrict pathogen propagation. In our study using Drosophila larvae as a model, we uncovered spatially and temporally interconnected events that are crucial for effectively combating intestinal infections. Our findings reveal a two-step defense mechanism: first, the larvae rapidly discriminate between bacterial strains, effectively confining hazardous ones in the anterior section of the intestine. These blocked bacteria trigger the synthesis and release of antimicrobial peptides by the host, which ultimately eradicate the entrapped pathogens. Our experiments show that larvae capable of both limiting bacteria spreading and producing antimicrobial peptides withstand infections. In contrast, the absence of either one of these sequential defenses results in high mortality among the larvae, emphasizing the importance of each step and the necessity of their precise coordination in the immune response.

著者: C. Léopold Kurz, F. Tleiss, M. Montanari, R. Milleville, O. Pierre, J. Royet, D. Osman, A. Gallet

最終更新: 2024-09-28 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.26.577406

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.01.26.577406.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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