Малярия остаётся одной из основных причин смертности и заболеваемости в Африке, причём наибольшее бремя приходится на детей в возрасте до пяти лет. Наиболее эффективным средством профилактики заболевания являются инсектицидные средства борьбы с переносчиками, воздействующие на взрослых комаров рода Anopheles. В результате широкого применения этих средств устойчивость к наиболее распространённым классам инсектицидов в настоящее время широко распространена по всей Африке. Понимание механизмов, лежащих в основе этого фенотипа, необходимо как для отслеживания распространения устойчивости, так и для разработки новых методов её 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 иинсектицидвосприимчивых к инсектицидам популяций в Буркина-Фасо. Этот результат был подтвержден лабораторными исследованиями колоний из двух стран Буркина-Фасо. Напротив, у комаров Anopheles arabiensis из Эфиопии наблюдались чёткие различия в составе микробиоты между погибшими и выжившими после воздействия инсектицидов особями. Для дальнейшего изучения резистентности этой популяции Anopheles arabiensis мы провели секвенирование РНК и обнаружили дифференциальную экспрессию генов детоксикации, связанных с резистентностью 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 указывает на 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 с изменениями в составе микробиоты в Камеруне, Кении и Кот-д'Ивуаре, в то время как лабораторно адаптированные Anopheles gambiae показали изменения в своей микробиоте после отбора на устойчивость к пиретроидам. Кроме того, экспериментальное лечение антибиотиками и добавление известных бактерий к лабораторно колонизированным комарам 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 16S секвенирование, чтобы определить, различалась ли микробиота комаров, колонизированных в лабораторных условиях и собранных в полевых условиях в Западной и Восточной Африке, между теми, кто выжил, и теми, кто погиб после воздействия пиретроида дельтаметрина. В контексте резистентности к инсектицидам сравнение микробиоты из разных регионов Африки с разными видами и уровнями резистентности может помочь понять региональное влияние на микробные сообщества. Лабораторные колонии были из Буркина-Фасо и выращены в двух разных европейских лабораториях (An. coluzzii в Германии и An. arabiensis в Великобритании), комары из Буркина-Фасо представляли все три вида комплекса видов An. gambiae, а комары из Эфиопии представляли An. arabiensis. В данной работе 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 — нет. Целью данного исследования является дальнейшее изучение резистентности к инсектицидам. Мы провели секвенирование РНК популяций Anopheles arabiensis и обнаружили, что гены, связанные с устойчивостью к инсектицидам, были активны, в то время как гены, связанные с дыханием, в целом были изменены. Интеграция этих данных со второй популяцией из Эфиопии позволила выявить ключевые гены детоксикации в регионе. Дальнейшее сравнение с Anopheles arabiensis из Буркина-Фасо выявило значительные различия в профилях транскриптомов, но всё же выявило четыре ключевых гена детоксикации, которые были сверхэкспрессированы по всей Африке.
Живые и мертвые комары каждого вида из каждого региона были затем секвенированы с помощью 16S секвенирования, и были рассчитаны относительные обилия. Различий в альфа-разнообразии не наблюдалось, что указывает на отсутствие различий в богатстве операционных таксономических единиц (OTU); однако бета-разнообразие значительно варьировалось между странами, а условия взаимодействия для страны и статуса жив/мертв (PANOVA = 0,001 и 0,008 соответственно) показали, что разнообразие существует между этими факторами. Различий в бета-дисперсии между странами не наблюдалось, что указывает на схожие дисперсии между группами. Многомерный шкалирующий 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 из 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 существенно влиять на состав микробиоты [50]. Интересно, что в то время как образцы и сообщества комаров из Буркина-Фасо не показали никаких различий в выживаемости или смертности комаров после воздействия инсектицида, 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 объяснять более сильную связь.
Устойчивость к пиретроидным инсектицидам представляет собой сложный фенотип, 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 связывают усиление дыхания с устойчивостью к инсектицидам, что согласуется с расширенными онтологическими терминами, представленными в исследовании РНК-секвенирования Бахр-Дара, и с интегрированными данными по Эфиопии, полученными в данной работе; это вновь указывает на то, что устойчивость приводит к усилению дыхания, являясь либо причиной, либо следствием данного фенотипа. Если эти изменения приводят к различиям в потенциале активных форм кислорода и азота, как предполагалось ранее, это может влиять на способность переносчиков переносчиков переносчиков к колонизации микробов посредством дифференциальной устойчивости бактерий к утилизации активных форм кислорода (АФК) долгоживущими комменсальными бактериями.
Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что микробиота может влиять на устойчивость к инсектицидам в определенных условиях. Мы также продемонстрировали, что комары An. arabiensis в Эфиопии демонстрируют схожие изменения транскриптома, обуславливающие устойчивость к инсектицидам; однако количество генов, соответствующих таковым в Буркина-Фасо, невелико. Остается несколько оговорок относительно выводов, полученных в данном и других исследованиях. Во-первых, необходимо продемонстрировать причинно-следственную связь между выживаемостью после воздействия пиретроидов и микробиотой с помощью метаболомных исследований или трансплантации микробиоты. Кроме того, необходимо подтвердить валидацию ключевых кандидатов в нескольких популяциях из разных регионов. Наконец, объединение данных транскриптома с данными микробиоты в рамках целевых посттрансплантационных исследований позволит получить более подробную информацию о том, оказывает ли микробиота непосредственное влияние на транскриптом комаров в отношении устойчивости к пиретроидам. Однако, в совокупности наши данные свидетельствуют о том, что устойчивость носит как локальный, так и транснациональный характер, что подчеркивает необходимость тестирования новых инсектицидных продуктов в нескольких регионах.
Время публикации: 24 марта 2025 г.