Малярия остается основной причиной смерти и заболеваний в Африке, причем наибольшее бремя приходится на детей в возрасте до 5 лет. Наиболее эффективным средством профилактики заболевания являются инсектицидные средства борьбы с переносчиками, которые нацелены на взрослых комаров Anopheles. В результате широкого использования этих мер резистентность к наиболее часто используемым классам инсектицидов в настоящее время широко распространена по всей Африке. Понимание основных механизмов, которые приводят к этому фенотипу, необходимо как для отслеживания распространения резистентности, так и для разработки новых инструментов для ее преодоления.
В этом исследовании мы сравнили состав микробиома популяций Anopheles gambiae, Anopheles cruzi и Anopheles arabiensis, устойчивых к инсектицидам, из Буркина-Фасо с популяциями, чувствительными к инсектицидам, также из Эфиопии.
Мы не обнаружили различий в составе микробиоты между устойчивыми к инсектицидам иинсектицид-восприимчивые популяции в Буркина-Фасо. Этот результат был подтвержден лабораторными исследованиями колоний из двух стран Буркина-Фасо. Напротив, у комаров Anopheles arabiensis из Эфиопии были обнаружены четкие различия в составе микробиоты между теми, кто погиб, и теми, кто выжил после воздействия инсектицида. Для дальнейшего изучения устойчивости этой популяции Anopheles arabiensis мы провели секвенирование РНК и обнаружили дифференциальную экспрессию генов детоксикации, связанных с устойчивостью к инсектицидам, а также изменения в дыхательных, метаболических и синаптических ионных каналах.
Наши результаты показывают, что в некоторых случаях микробиота может способствовать развитию устойчивости к инсектицидам, помимо изменений транскриптома.
Хотя устойчивость часто описывается как генетический компонент переносчика Anopheles, недавние исследования показали, что микробиом изменяется в ответ на воздействие инсектицидов, что предполагает роль этих организмов в устойчивости. Действительно, исследования переносчиков комаров Anopheles gambiae в Южной и Центральной Америке показали значительные изменения в эпидермальном микробиоме после воздействия пиретроидов, а также изменения в общем микробиоме после воздействия органофосфатов. В Африке устойчивость к пиретроидам была связана со сдвигами в составе микробиоты в Камеруне, Кении и Кот-д'Ивуаре, в то время как адаптированные в лабораторных условиях Anopheles gambiae показали сдвиги в своей микробиоте после отбора на устойчивость к пиретроидам. Кроме того, экспериментальное лечение антибиотиками и добавление известных бактерий в лабораторно колонизированных комаров Anopheles arabiensis показали повышенную толерантность к пиретроидам. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что устойчивость к инсектицидам может быть связана с микробиомом комаров и что этот аспект устойчивости к инсектицидам можно использовать для борьбы с переносчиками болезней.
В этом исследовании мы использовали секвенирование 16S, чтобы определить, отличалась ли микробиота лабораторно колонизированных и собранных в полевых условиях комаров в Западной и Восточной Африке между теми, кто выжил, и теми, кто погиб после воздействия пиретроида дельтаметрина. В контексте устойчивости к инсектицидам сравнение микробиоты из разных регионов Африки с разными видами и уровнями устойчивости может помочь понять региональные влияния на микробные сообщества. Лабораторные колонии были из Буркина-Фасо и выращены в двух разных европейских лабораториях (An. coluzzii в Германии и An. arabiensis в Соединенном Королевстве), комары из Буркина-Фасо представляли все три вида комплекса видов An. gambiae, а комары из Эфиопии представляли An. arabiensis. Здесь мы показываем, что Anopheles arabiensis из Эфиопии имели различные сигнатуры микробиоты у живых и мертвых комаров, в то время как Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо и двух лабораторий не имели. Целью этого исследования является дальнейшее изучение устойчивости к инсектицидам. Мы провели секвенирование РНК в популяциях Anopheles arabiensis и обнаружили, что гены, связанные с устойчивостью к инсектицидам, были повышены, в то время как гены, связанные с дыханием, были в целом изменены. Интеграция этих данных со второй популяцией из Эфиопии выявила ключевые гены детоксикации в регионе. Дальнейшее сравнение с Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо выявило значительные различия в профилях транскриптома, но все же выявило четыре ключевых гена детоксикации, которые были сверхэкспрессированы по всей Африке.
Затем живые и мертвые комары каждого вида из каждого региона были секвенированы с помощью 16S секвенирования, и были рассчитаны относительные численности. Различий в альфа-разнообразии не наблюдалось, что указывает на отсутствие различий в богатстве операционных таксономических единиц (OTU); однако бета-разнообразие значительно различалось между странами, а условия взаимодействия для страны и статуса жив/мертв (PANOVA = 0,001 и 0,008 соответственно) указывали на то, что между этими факторами существовало разнообразие. Различий в бета-дисперсии между странами не наблюдалось, что указывает на схожие дисперсии между группами. Многомерный масштабный график Брея-Кертиса (рисунок 2A) показал, что образцы были в значительной степени разделены по местоположению, но были некоторые заметные исключения. Несколько образцов из сообщества An. arabiensis и один образец из сообщества An. coluzzii перекрывались с образцом из Буркина-Фасо, тогда как один образец из образцов An. arabiensis из Буркина-Фасо перекрывался с образцами An. Образец сообщества arabiensis, что может указывать на то, что исходная микробиота случайным образом поддерживалась на протяжении многих поколений и в разных регионах. Образцы Буркина-Фасо не были четко разделены по видам; это отсутствие сегрегации было ожидаемым, поскольку особи впоследствии были объединены, несмотря на то, что они произошли из разных личиночных сред. Действительно, исследования показали, что совместное использование экологической ниши во время водной стадии может значительно влиять на состав микробиоты [50]. Интересно, что в то время как образцы и сообщества комаров Буркина-Фасо не показали никаких различий в выживании или смертности комаров после воздействия инсектицидов, образцы из Эфиопии были четко разделены, что предполагает, что состав микробиоты в этих образцах Anopheles связан с устойчивостью к инсектицидам. Образцы были собраны в одном и том же месте, что может объяснить более сильную связь.
Устойчивость к пиретроидным инсектицидам является сложным фенотипом, и хотя изменения метаболизма и мишеней изучены относительно хорошо, изменения микробиоты только начинают изучаться. В этом исследовании мы показываем, что изменения микробиоты могут быть более важными в определенных популяциях; мы далее характеризуем устойчивость к инсектицидам у Anopheles arabiensis из Бахр-Дара и показываем изменения в известных транскриптах, связанных с устойчивостью, а также значительные изменения в генах, связанных с дыханием, которые также были очевидны в предыдущем исследовании РНК-секвенирования популяций Anopheles arabiensis из Эфиопии. В совокупности эти результаты предполагают, что устойчивость к инсектицидам у этих комаров может зависеть от комбинации генетических и негенетических факторов, вероятно, потому, что симбиотические отношения с местными бактериями могут дополнять деградацию инсектицидов в популяциях с более низким уровнем устойчивости.
Недавние исследования связали повышенное дыхание с устойчивостью к инсектицидам, что согласуется с обогащенными терминами онтологии в Bahir Dar RNAseq и интегрированными данными Эфиопии, полученными здесь; снова предполагая, что устойчивость приводит к повышенному дыханию, либо как причина, либо как следствие этого фенотипа. Если эти изменения приводят к различиям в потенциале реактивных форм кислорода и азота, как предполагалось ранее, это может повлиять на компетентность вектора и микробную колонизацию через дифференциальную бактериальную устойчивость к очистке ROS долгосрочными комменсальными бактериями.
Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что микробиота может влиять на устойчивость к инсектицидам в определенных средах. Мы также продемонстрировали, что комары An. arabiensis в Эфиопии демонстрируют схожие изменения транскриптома, обеспечивающие устойчивость к инсектицидам; однако количество генов, соответствующих генам в Буркина-Фасо, невелико. Остается несколько оговорок относительно выводов, сделанных здесь и в других исследованиях. Во-первых, необходимо продемонстрировать причинно-следственную связь между выживаемостью пиретроидов и микробиотой с помощью метаболомных исследований или трансплантации микробиоты. Кроме того, необходимо продемонстрировать валидацию ключевых кандидатов в нескольких популяциях из разных регионов. Наконец, объединение данных транскриптома с данными микробиоты с помощью целевых посттрансплантационных исследований предоставит более подробную информацию о том, влияет ли микробиота непосредственно на транскриптом комаров в отношении устойчивости к пиретроидам. Однако, взятые вместе, наши данные свидетельствуют о том, что устойчивость является как локальной, так и транснациональной, что подчеркивает необходимость тестирования новых инсектицидных продуктов в нескольких регионах.
Время публикации: 24-03-2025