Microarray analysis of genes expressed in the context of Apis mellifera metamorphosis

A cutícula dos insetos é composta principalmente por uma variedade de proteínas que interagem com filamentos de quitina, um polímero de N-acetilglicosamina, para formar um envoltório rígido que protege e dá forma ao organismo. O crescimento dos insetos depende da renovação periódica da cutícula, que se desprende durante a apólise e é digerida enquanto a epiderme sintetiza uma nova cutícula substituta. Tal renovação caracteriza a muda e metamorfose e é coordenada por hormônios, com destaque para os ecdisteróides. O atual trabalho objetivou caracterizar a expressão diferencial de genes do tegumento (cutícula e epiderme subjacente), além de elucidar aspectos de regulação e função no contexto da muda e metamorfose, com foco nos genes codificadores de proteínas estruturais e enzimas cuticulares. Para este fim, utilizamos o tegumento de fases específicas da muda pupal-adulta, isto é, de pupas (Pw), de pupas em apólise (Pp) e de adultas faratas (Pbl) para análises de microarrays de cDNA. As análises dos microarrays mostraram 761 e 1173 genes diferencialmente expressos nos tegumentos de adultas faratas (Pbl) em comparação com pupas (Pw) ou pupas em apólise (Pp), respectivamente. A categorização destes genes, segundo os critérios do Gene Ontology, distinguiu totalmente o tegumento de adultas faratas (Pbl) dos tegumentos de pupas (Pw) ou pupas em apólise (Pp) tanto em relação ao critério Processo Biológico quanto em relação à Função molecular, evidenciando grande mudança na expressão gênica durante a construção do exoesqueleto definitivo nas adultas faratas (Pbl). Os microarrays mostraram aumento estatisticamente significante da expressão de 24 genes cuticulares no tegumento de adultas faratas. Este resultado foi validado por RT-PCR em tempo real (qRT-PCR) para 23 destes genes (AmelCPR3, AmelCPR4, AmelCPR6, AmelCPR14, AmelCPR15, AmelCPR17, AmelCPR23, AmelCPR24, AmelCPR25, AmelCPR28, AmelCPR29, AmelCPR30, apd-1, apd-2, apd-3, CPLCP1, Am-C, Am-D, AmelTwdl1, AmelTwdl2, GB12449, GB12811 e GB11550), e por RT-PCR semiquantitativa para o gene Amlac2. Além disto, a maior expressão de outros 2 genes cuticulares (AmelCPR1 e AmelCPR2) em adultas faratas foi demonstrada por qRT-PCR. Estes genes cuticulares positivamente regulados no tegumento de adultas faratas (Pbl) devem estar envolvidos com a formação e diferenciação do exoesqueleto definitivo. O aumento da expressão gênica neste período da muda (Pbl) é regulado pela variação do título de ecdisteróides e ocorre enquanto o título deste hormônio decai, após ter atingido o pico indutor da apólise na fase de desenvolvimento precedente (Pp). Ao contrário, as análises por qRT-PCR mostraram que 2 outros genes cuticulares (AmelCPF1 e AmelCPR1) são negativamente regulados no tegumento de adultas faratas em comparação com pupas, sugerindo que são específicos de cutícula pupal. Estes genes foram inibidos pelo aumento dos níveis de ecdisteróides, que induz a apólise. Vinte e um entre os 24 genes cuticulares diferencialmente expressos nos microarrays codificam proteínas pertencentes às famílias CPF, CPR, Apidermina, CPLCP, Análoga a peritrofina e Tweedle. Os outros 3 genes diferencialmente expressos (GB12449, GB12811, GB11550) não tinham sido ainda caracterizados como genes cuticulares. Dois deles, GB12449 e GB12811, foram sequenciados para validação da predição e para a caracterização das respectivas estruturas genômicas. Experimentos de hibridação in situ com sonda fluorescente (FISH) nos permitiram localizar altos níveis de transcritos destes genes no citoplasma de células da epiderme de adultas faratas, sugerindo fortemente sua natureza cuticular e envolvimento na construção do exoesqueleto definitivo. O presente estudo consiste na primeira análise global de expressão de genes do tegumento de uma espécie de himenóptero social. Os resultados apresentados levaram à identificação de genes com expressão associada à muda pupal-adulta e formação do exoesqueleto definitivo. Este trabalho contribui com novos dados moleculares para o aprofundamento do conhecimento da metamorfose de A. mellifera.The insect cuticle is mainly composed of proteins that interact with chitin filaments to form a rigid structure that protects and shapes the organism. Insects grow through the periodic renewal of the cuticle, which is shed at each apolysis episode, and subsequently digested while the epidermis synthesizes the cuticle of the next stage. These molting events are coordinated by hormones, mainly ecdysteroids. The current work aimed to characterize differential gene expression in the integument (cuticle and underlying epidermis) during the ecdysteroid-regulated pupal-to-adult molt. Special attention was given to the structure and expression of genes encoding proteins and enzymes involved in cuticle formation and differentiation. To achieve these goals, we used thoracic integument of newly-ecdysed pupae (Pw), pupae in apolysis (Pp) and pharate adults (Pbl) in cDNA microarray analyses. The microarray analysis showed 761 and 1173 differentially expressed genes in the pharate adult integument (Pbl) in comparison to pupae (Pw) or pupae in apolysis (Pp), respectively. Gene Ontology terms for Biological Process and Molecular Function completely distinguished the integument of pharate adults (Pbl) from the integument of pupae (Pw) or pupae in apolysis (Pp). The microarray analysis discriminated 24 cuticular genes with a significant expression increase in the pharate adult integument. This was validated by real time RT-PCR analysis (qRT-PCR) for 23 of these genes (AmelCPR3, AmelCPR4, AmelCPR6, AmelCPR14, AmelCPR15, AmelCPR17, AmelCPR23, AmelCPR24, AmelCPR25, AmelCPR28, AmelCPR29, AmelCPR30, apd-1, apd-2, apd-3, CPLCP1, Am-C, Am-D, AmelTwdl1, AmelTwdl2, GB12449, GB12811 and GB11550), and by semiquantitative RT-PCR for Amlac2. In addition, the increased expression of other two cuticular genes (AmelCPR1 and AmelCPR2) was confirmed by qRT-PCR. These up-regulated cuticular genes in pharate adult integument apparently are involved in adult cuticle formation and differentiation, which occurs while the ecdysteroids titers decay, after reaching the peak that induces apolysis in the preceding phase (Pp). In contrast, two cuticular genes (AmelCPF1 e AmelCPR1) were confirmed by qRT-PCR analysis as negatively regulated in the integument of pharate adults compared to pupae, suggesting that they are specific to pupal cuticle. Therefore, these genes were inhibited by the increasing ecdysteroid levels that induce apolysis. Twenty one of the 24 cuticular genes differentially expressed in the microarrays encode proteins belonging to the CPF, CPR, Apidermin, CPLCP, Analogous to peritrofins and Tweedle families. The other three differentially expressed genes (GB12449, GB12811, GB11550) had not yet been assigned as cuticular genes. Two of them (GB12449 and GB12811) were sequenced, thus allowing prediction validation and gene structure characterization. In situ hybridization experiments using fluorescent probe (FISH) localized high expression of these genes in the pharate adult epidermis, strongly suggesting their involvement in the construction of the adult exoskeleton. This study is the first global gene expression analysis of the integument from a social hymenopteran species. The expression of genes in the integument was associated to the molting process and to the adult exoskeleton formation. This work contributes with new molecular data for a deeper understanding of A. mellifera metamorphosis