Forskare vid University of California, Riverside har hittat ett sätt att komma åt och manipulera smakneuroner i svalget (halsen) på den vanliga fruktflugan som kan hjälpa till att kontrollera spridningen av myggrelaterade sjukdomar, som dengue, malaria, gul feber, och zikavirus, och minska förlusten av grödor på grund av skadedjur i jordbruket.

Hos insekter, smakreceptorer finns i neuroner som finns i yttre smakhår på vingarna, ben och mundelar, samt i inre smakorgan i svalget. De flesta forskare som studerar smak fokuserar endast på de yttre smakhåren, dock, och förbise svalget, som är svårare att komma åt.

Anupama Dahanukar, en docent i molekylär, cell, och systembiologi, och Yu-Chieh David Chen, hennes doktorand, kunde undersöka de molekylära identiteterna hos faryngeala neuroner i fruktflugan, en kraftfull genetisk modellorganism för att studera insektsbeteenden, genom att göra neuronerna fluorescerande. Fluorescensen hjälpte dem att förstå, på molekylär nivå, hur farynxneuronerna var organiserade.

"Att använda transgena flugor, vi kunde undersöka uttrycket av fluorescerande proteiner utformade för att reflektera mönster av kemosensoriska receptorer i svalg smakneuroner i flugan och rita en exakt molekylär karta över dessa organ, vilket inte har gjorts tidigare, sa Dahanukar, som ledde forskningsprojektet. "Vi kunde också manipulera utvalda grupper av dessa neuroner för att ta reda på om de informerar flugan att äta viss mat eller att undvika dem."

Sådan genetisk manipulation av nervceller hos insekter kan ha stora applikationer för att stävja spridningen av myggburna sjukdomar och minska skador på grödor genom att kontrollera ätbeteendet hos myggor och jordbruksskadedjur, respektive. Enbart malaria dödade cirka 438, 000 människor i världen 2015; ungefär, 3-4 miljarder människor riskerar att drabbas av dengue eller malaria varje år. Förluster för amerikansk gröda och skogsproduktion uppskattas till 40 miljarder dollar årligen.

"Den viktiga roll som en flugs svalg smakorgan spelar för att reglera val av föda har i stort sett inte uppskattats tills nyligen, sa Michael Gordon, en docent i biologi vid University of British Columbia, som inte var involverad i forskningen. "Anupama och Davids mycket noggranna och detaljerade kartläggning av specifika svalgcelltyper ger viktiga insikter i logiken för kemisk detektering i dessa organ. Det ger också en ram för att ytterligare förstå komplexiteten i smakens inverkan på flugmatningsbeteenden."

Studieresultat visas i Cellrapporter .

"Den genetiska verktygslåda vi har definierat kan tillåta oss att manipulera utvalda klasser av svalg smakneuroner och undersöka konsekvenserna av dessa manipulationer av olika funktioner, " sa Chen.

Chen och Dahanukar fann också att flugans faryngeala smakorgan delar vissa egenskaper med smakhår på de yttre organen. Andra funktioner, såsom samuttryck (eller brist därav) av vissa receptorer, kan vara unika för svalgorgan.

"Det har misstänkts att information från svalgorgan kan tolkas annorlunda än information som kommer från externa organ, eftersom nervceller från olika organ ansluter till olika kretsar i hjärnan, sa Dahanukar, en medlem av Institutet för Integrativ Genome Biology vid UCR. "Men molekylära skillnader mellan de två tyder på att informationens karaktär också kan vara olika. Faryngeala organ kan prova kemikalier annorlunda än externa organ eller så kan dessa inre nervceller känna av andra matattribut, som hjälper flugan att bestämma om den ska ätas eller inte."

För att uppnå fluorescens i flugans faryngeala smakneuroner, Dahanukar och Chen parade två transgena flugor, med en förälderfluga som har en GAL4-transgen under kontroll av regulatoriska regioner av olika kemosensoriska receptorer och den andra föräldern har en UAS-GFP-transgen. När de två transgena flugorna parade sig, avkommans faryngeala smakneuroner visade fluorescens i mönster som återspeglar uttryck av dessa kemosensoriska receptorer.

Chen förklarade att UAS-GFP-transgenen tillåter uttryck av det gröna fluorescensproteinet, men det kan inte uppnå detta på egen hand. För att generera fluorescens, en kemoreceptor-GAL4 behövs för att slå på generna nedströms UAS-sekvensen.

"Anledningen till att vi inte introducerar både GAL4- och UAS-transgener i samma fluga utan istället separerar GAL4- och UAS-transgenerna i olika transgena fluglinjer är att vi vill göra dessa fluglinjer mer mångsidiga för kombinatoriska experiment, " sa han. "Tänk på capsaicin, en aktiv komponent i chilipeppar som flugor inte kan smaka. Om vi ​​kan uttrycka en capsaicinreceptor i en svalgneuron hos flugan med en speciell kombination av kemosensoriska-GAL4 och UAS-capsaicintransgener, då har den neuronen nu receptorn för capsaicin. Detta betyder att capsaicin nu kan aktivera denna neuron. På det här sättet, vi kan ge flugan vilken smakreceptor vi vill och ändra flugans beteende. Genom att artificiellt aktivera selektiva neuroner, vi kan få flugan att närma sig en viss föda eller flytta bort från den."

Baserat på deras placering i matkanalen, svalg smakorgan har ansetts vara viktiga för att kontrollera matningsbeteenden. Fler och fler studier indikerar att svalg smakneuroner och kretsar kan vara nyckelspelare i utfodring, hunger, pris, och minne.

"Det är avgörande att studera dessa neuroner, som ofta förbigås i tidigare forskning, eftersom vi vet att mat måste passera genom svalget, " sa Chen. "Fokuserar bara på de yttre smakorganen, såsom benen och vingarna, kan leda till felaktiga eller ofullständiga slutsatser. Vår uppsats tillhandahåller vägkartor över svalgets smakorgan i ett insektsmodellsystem för att undersöka vilken roll dessa understuderade neuroner spelar för att kontrollera matningsbeteenden."

Nu när Dahanukar och Chen har genetiska verktygssatser för att manipulera flugneuroner, de planerar att studera enskilda svalgneuroner för att till fullo förstå vilken roll de spelar i flugans ätbeteende.