Artykuł metodologiczny

Transgeniczna manipulacja wektorami stawonogów: narzędzia do badania chorób przenoszonych przez wektory

15 grudnia 2023

W tym artykule

Artykuł redakcyjny

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Żywiące się krwią stawonogi, takie jak komary, kleszcze i muchy piaskowe, przenoszą kilka patogenów istotnych z medycznego punktu widzenia, z których wiele jest niedostatecznie zbadanych i brakuje im odpowiednich środków terapeutycznych. Dlatego zapobieganie przenoszeniu chorób często wymaga celowania w stawonoga1. Na przykład zintegrowane zarządzanie wektorami (IVM) to kompleksowe ramy, które mają na celu zwiększenie skuteczności tradycyjnych metod zwalczania wektorów, takich jak insektycydy, poprzez rozszerzenie ich o bardziej innowacyjne metody, takie jak kontrola genetyczna2. Ta specjalna kolekcja podkreśla różnorodny wachlarz transgenicznych stawonogów generowanych w celu badania i kontrolowania chorób przenoszonych przez wektory, a także umiejętności techniczne i twórcze niezbędne do rozwoju takich genetycznie zmodyfikowanych organizmów.

Relacje stawonogi-patogen-gospodarz ewoluują przez wiele lat, aby ukształtować genetykę wszystkich dotkniętych gatunków 3,4,5. Systemy modelowe są zazwyczaj nieodpowiednie do badania stawonogów żywiących się krwią, ponieważ ich biologia i zachowania są specyficzne dla gatunku. Entomolodzy molekularni muszą odtworzyć złożone środowiska, które pozwalają na odżywianie się krwią i rozmnażanie, aby poszczególne gatunki mogły być rutynowo utrzymywane i badane w laboratorium w kontrolowanych warunkach. Hodowla stawonogów hematofagicznych wymaga zarówno wiedzy biologicznej, jak i "skrupulatnej uwagi wykwalifikowanych osób"6. Z tego powodu nic dziwnego, że biologia wektorowa znajduje się w czołówce innowacji genetycznych.

Chociaż to wydanie specjalne dotyczy generowania transgenicznych stawonogów z różnych rodzajów, wyłania się jeden główny temat: proces ten wymaga dużej dbałości o szczegóły, dokładnego zrozumienia biologii organizmu i pomysłowego sposobu myślenia. Louradour i wsp.7 zwracają uwagę na wyzwania związane z dostosowaniem technik mikroiniekcji embrionalnych do wektorów pasożytów Leishmania – a mianowicie muszek piaskowych – które składają bardzo małe jaja. Świeżo złożone jaja przenosi się na pojedyncze kawałki czarnej bibuły filtracyjnej na szkiełku mikroskopowym z szkiełkiem nakrywkowym i starannie ustawia się w kolejce do mikroiniekcji. Poziom wilgotności, jakość przygotowanych materiałów i staranność, z jaką przeprowadzany jest proces, to tylko kilka zmiennych, które decydują o powodzeniu techniki. Mikroiniekcja jaj kleszcza twardego wiąże się z różnymi wyzwaniami – grubą zewnętrzną warstwą wosku na zarodkach, twardą kosmówką i wysokim ciśnieniem wewnątrzowalnym8. Sharma i wsp. opisują procedury u Ixodes scapularis , które pokonują te przeszkody poprzez usunięcie warstwy woskowiny, zmiękczenie kosmówki i wysuszenie jaj8. Obejmują one ablację narządu (gruczołu woskowego) Gené od samic składających jaja, zebranie jaj w ciągu 24 godzin od złożenia jaj, a następnie umieszczenie jaj w 1% (w/v) roztworze chlorku sodu na około 1 godzinę przed mikrowstrzyknięciem8.

Możliwe jest obejście embrionalnych mikroiniekcji poprzez wstrzyknięcie poczwarkom lub dorosłym osobnikom maszynerii, która edytuje lub wycisza geny. Benetta i wsp. opisują tę technikę przy użyciu dwóch metod dostarczania jajników – transdukcji ładunku jajnika za pośrednictwem receptora (ReMOT Control) lub rozgałęzionych kapsułek z peptydami amfifilowymi (BAPC) – a także dwóch strategii wstrzykiwania (rurki Femtojet lub aspiratora) w pasożytniczej osie klejnotowej Nasonia vitripennis9. Poczwarki ustawiono w rzędzie i przymocowano do szkiełka mikroskopowego za pomocą kleju, aby ułatwić proces wstrzykiwania i zmniejszyć śmiertelność9. Z kolei dorośli byli znieczuleni na lodzie, aby użytkownik mógł podtrzymać samicę kleszczami podczas iniekcji w brzuch.

Oprócz edycji genów za pośrednictwem CRISPR/Cas9, wydanie to obejmuje inne technologie inżynierii genetycznej stosowane w stawonogach, w tym ukierunkowaną na miejsce rekombinazę φC31 i GAL4-UAS. Pierwsza, opisana przez Adolfiego i wsp., osiąga ukierunkowaną na miejsce integrację ładunku transgenicznego flankowanego przez attB w celu pojedynczej integracji lub wymiany kasetowej za pośrednictwem rekombinazy w wektorach malarii Anopheles gambiae i Anopheles stephensi10. Technologia ta pozwala na ukierunkowane wprowadzanie do linii dokujących, które zostały wcześniej ustanowione, co upraszcza walidację, unikając efektów pozycyjnych i dalszych schematów kojarzenia niezbędnych dla stabilnej linii genetycznej10. Druga technika, dwuczęściowy system GAL4-UAS, jest wykorzystywana przez Poultona i wsp. do generowania transgenicznych Anopheles gambiae , które eksprymują kasety transgenowe w sposób czasoprzestrzenny, specyficzny dla tkanki, nawet kosztem poważnych kosztówsprawności11. Ze względu na swoją elastyczność, system ten pozwala badaczom badać fenotypy i wnioskować o funkcjach genów, które w innym przypadku mogą być niemożliwe.

Rzeczywiście, ładunek transgeniczny często wiąże się z kosztami sprawności stawonogów; dlatego Williams i in. opracowali proste protokoły pomiaru kosztów sprawności u transgenicznych komarów Aedes aegypti 12. Obejmowały one płodność, rozmiar i kształt skrzydeł, płodność, stosunek płci, żywotność, czas rozwoju, wkład samców i długowieczność dorosłego osobnika12. Takie pomiary dopasowania mogą być wykorzystane do porównania stanu zdrowia transgenicznych komarów generowanych w różnych badaniach lub do modelowania tempa fiksacji transgenu w modelach matematycznych.

Szczegóły metodologiczne w tych rękopisach są ilustrowane wizualnie, aby ułatwić ich powielanie. Przedstawiono różnorodne techniki molekularne i entomologiczne: określanie płci i badanie przesiewowe poczwarek komarów pod kątem markerów fluorescencyjnych11,12; łączenie i oczyszczanie mieszanin plazmidowych dawcy i pomocnika φC3110; wstrzykiwanie dorosłych os jubilerskich dobrzusznie9; ustawianie jaj muchy piaskowej do mikroiniekcji7; i ablacja gruczołów woskowych kleszczy8. Biorąc pod uwagę szeroki zakres technik omówionych w tym wydaniu specjalnym, zarówno amatorzy, jak i eksperci są zaproszeni do zapoznania się z podstawami generowania genetycznie zmodyfikowanych stawonogów. Techniki te stanowią podstawę do badania fizjologii stawonogów i interakcji wektor-patogen, które są niezbędne do opracowania nowych strategii ograniczających choroby przenoszone przez wektory.

Oświadczenia

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została sfinansowana przez NIH, grant numer R01 AI130085, oraz NIH Division of Intramural Research Program: AI001246.

Bibliografia

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Luckhart, S., Lindsay, S. W., James, A. A., Scott, T. W. Reframing critical needs in vector biology and management of vector-borne disease. PLoS Neglected Tropical Diseases. 4 (2), e566(2010).
  2. Marcos-Marcos, J., et al. economic evaluation, and sustainability of integrated vector management in urban settings to prevent vector-borne diseases: a scoping review. Infectious Disease of Poverty. 7 (1), 83(2018).
  3. Titus, R. G., Ribeiro, J. M. The role of vector saliva in transmission of arthropod-borne disease. Parasitology Today. 6 (5), 157-160 (1990).
  4. Ribeiro, J. M. Blood-feeding arthropods: live syringes or invertebrate pharmacologists. Infect Agents and Disease. 4 (3), 143-152 (1995).
  5. McManus, K. F., et al. Population genetic analysis of the DARC locus (Duffy) reveals adaptation from standing variation associated with malaria resistance in humans. PLOS Genetics. 13 (3), 1006560(2017).
  6. Crampton, J. M., Beard, C. B., Louis, C. The molecular biology of insect disease vectors: a methods manual. 1, Chapman & Hall. 3-20 (1997).
  7. Louradour, I., et al. Sand Fly (Phlebotomus papatasi) embryo microinjection for CRISPR/Cas9 mutagenesis. Journal of Visualized Experiments. (165), e61924(2020).
  8. Sharma, A., Pham, M., Harrell, R. A., Nuss, A. B., Gulia-Nuss, M. Embryo injection technique for gene editing in the black-legged tick, Ixodes scapularis. Journal of Visualized Experiments. (187), e64142(2022).
  9. Benetta, E. D., Chaverra-Rodriguez, D., Rasgon, J. L., Akbari, O. S. Pupal and adult injections for RNAi and CRISPR gene editing in Nasonia vitripennis. Journal of Visualized Experiments. (166), e61892(2020).
  10. Adolfi, A., Lynd, A., Lycett, G. J., James, A. A. Site-directed φC31-mediated integration and cassette exchange in Anopheles vectors of malaria. Journal of Visualized Experiments. (168), e62146(2021).
  11. Poulton, B. C., et al. Using the GAL4-UAS system for functional genetics in Anopheles gambiae. Journal of Visualized Experiments. (170), e62131(2021).
  12. Williams, A., et al. Quantifying fitness costs in transgenic Aedes aegypti mosquitoes. Journal of Visualized Experiments. (199), e65136(2023).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

ResearchGenetic EngineeringDisease TransmissionEpidemiology

Powiązane artykuły