Honey bee (Apis mellifera) Juvenile Hormone Esterase Gene Structure and its Rule During Post-Embryonic Development and Caste Differentiation.

Os hormônios juvenis (HJ) são uma classe de sesquiterpenóides que executam um papel crucial no desenvolvimento dos insetos. O HJ modula a ação de ecdisona, prevenindo a metamorfose nos estágios larvais. Os títulos deste honnônio são determinados pela sua síntese nos Corpora Allata e pela atividade hidrolítica de uma esterase específica (EHJ -Esterase do Hormônio Juvenil), um membro da família das carboxiesterases (3.1.1.1), que transforma o HJ em um metabólito considerado inativo (HJ-ácido). O HJ está intimamente envolvido no desenvolvimento e diferenciação de castas em A. mellifera; os títulos de hormônio diferem consideravelmente durante o desenvolvimento das castas. A metodologia ORESTES (Open-Reading-Frame-Expressed-Sequence- Tags) foi usada para a obtenção da seqüência do gene da EHJ. Vinte e seis clones que mostraram homologia com a seqüência da EHJ de outros insetos foram usados para a construção de primers para a análise da expressão do gene em experimentos de RT-PCR. O fragmento obtido pela amplificação utilizando estes primers mostrou alta identidade com as EHJ de Drosophila melanogaster e Tenebrio molitor em nível de aminoácidos. A primeira fita de cDNA foi sintetizada usando RNA total e usada como molde para PCR. A normalização foi feita utilizando-se a expressão do gene da actina de A. mellifera. O gene da EHJ é mais expresso em corpo gorduroso e epitélío do intestino. O pico de expressão do gene em operárias foi observado nos estágios que antecedem a metamorfose (L5F e L5S), após este período ocorre diminuição de expressão do gene em pré-pupas e pupas jovens e um aumento de expressão no final do período pupal e adultos de até 15 dias. A atividade do gene da EHJ está relacionada aos títulos de HJ durante o desenvolvimento, o que sugere a importância da EHJ para que a metamorfose ocorra normalmente. Os níveis de mRNA da EHJ foram quantificados nas castas e sexos. Operárias mostraram a maior expressão do gene durante os estágios de L3, L4, L5F1 e L5S1. Em rainhas, a expressão aumenta em pré-pupa, ao contrário do que ocorre em operárias. Os menores níveis de expressão ocorrem em zangões. A expressão do gene da EHJ é menor quando o HJ é essencial para o desenvolvimento das características de rainhas, o que ocorre nos estágios larvais mais jovens, podendo ser estabelecida relação direta entre o HJ e os níveis de mRNA da EHJ durante o desenvolvimento e manutenção de características de cada casta. O gene mostrou menor expressão em ovários de rainhas nos estágios larvais, isto pode ter importância na manutenção dos níveis de HJ para que este órgão seja protegido de degeneração, garantindo seu desenvolvimento normal. Já que os níveis de HJ são diferentes nas castas e sexos, a atividade diferencial do gene da EHJ aparentemente é um elemento chave na manutenção dos tipos morfológicos nesta complexa sociedade. O gene foi iníbido pela aplicação de 20E em pupas, assim, sugerimos que o gene é induzido pela presença de HJ, como ocorre nas fases larvais jovens e após a emergência, e inibido na presença de ecdisteróides, já que os resultados obtidos neste trabalho mostram que o gene da EHJ está reprimido quando os títulos de ecdisteróides estão elevados nas fases pupais.The juvenile hormones (JH) are a class of sesquiterpenoids that play a crucial role in insect development. JH modulate the activity of ecdysone, preparing for metamorphosis at the end of the larval phase. The titers of this hormone are mainly determined by synthesis in the corpora allata and by the hydrolytic activity of a specific esterase (JHE - Juvenile Hormone Esterase), a carboxylesterase family member (3.1.1.1), which transforms JH into a metabolite considered inactive (JHacid). JH is intimately involved in Apis mellifera development and caste differentiation; the hormone titers differ considerably in developing queens and workers. The ORESTES (Open-Reading-Frame-Expressed-Sequence-Tags) methodology was used to obtain the JHE gene sequence. Twenty six clone sequences that showed homology with JHEs of other insects were used to construct specific primers to perform RT-PCR, in order to analyze JHE gene expression. The fragment amplified using these primers showed high identity with the JHE of Drosophila melanogaster and Tenebrio molitor at amino acid level. First strand cDNA was synthesized using total RNA and used as template for PCR. A. mellifera actin gene expression levels were used for normalization. The JHE gene is highly expressed in fat body and gut epithelium. The highest peak of JHE gene expression in workers was observed in the stages before metamorphosis, i.e. L5F and L5S, after which there is a decrease in the gene expression of pre-pupae and young pupae, with a increase at the end of pupal stages, and in the adult stages (until 15 days). The JHE gene activity is extremely related with the JH titers during the development, what suggests the importance of JHE enzyme activity to the normal metamorphosis. We quantified JHE mRNA levels in the castes and sexes of A. mellifera. Workers have the highest JHE gene expression levels during L3, L4, L5F1 and L5S1. In queens, there is an increase of JHE gene expression in pre-pupae, otherwise in works this stage shows a decrease in JHE expression. The lowest expression levels occur in drones. JHE expression is lower when JH is essential for the development of queen characteristics, what occurs during the early phases. Therefore it is possible to establish a direct relationship between JH and JHE mRNA levels during development and maintenance of the characteristics in each caste. The gene shows low expression levels in queens ovaries during larval stages where it may be important to the maintenance of JH levels, in order to protect this organ from degeneration, and to warrant a normal development. Since the levels of JH are different in the castes and sexes, the differential activity of the JHE gene apparently plays a key role in the maintenance of the morphotypes of this complex insect society. The gene was inhibited by 20E application in pupae, so we can suggest that the gene is induced by JH presence like we detected during larval stages and after emergence, and inhibited by ecdysteroids, since the data obtained in this work suggest that the JHE gene is repressed when the ecdysteroids titers are elevated