Ultraspiracle of the stingless bees Melipona scutellaris and Scaptotrigona depilis: cDNA sequence and expression profiles during pupal development

Reproduction and development in insects and caste differentiation in bees are mainly governed by ecdysteroids and juvenile hormone. We characterized the ultraspiracle (nuclear hormone receptor) cDNA of the highly social bees Melipona scutellaris and Scaptotrigona depilis. The predicted Usp proteins (with 427aa) show a greater sequence similarity to its orthologs from the “ApLoTe” group than to the dipteran-lepidopteran group, suggesting that Usp proteins included in the bee group might share functional characteristics. The expression profiles in fat bodies (FB) and brains turned out not to be very similar between the species. In M. scutellaris FB and brain and in S. depilis brain usp expression anti-parallels pupal ecdysteroid titers, thus suggesting a repression of usp expression by this hormone.ZusammenfassungDie Entwicklung und Reproduktion von Insekten unterliegt im wesentlichen der Steuerung durch lipophile Hormone, insbesondere Ecdysteroide und Juvenilhormon (JH). Bei einigen der hocheusozialen Bienen spielt JH ausserdem eine wichtige Rolle in der Kastenentwicklung und in Verhaltensänderungen, die die Adultphase von Arbeiterinnen kennzeichnen. Durch die Bindung an die Rezeptorproteine Ultraspiracle (Usp) und Ecdysonrezeptor (EcR) im Zellkern regulieren Ecdysteroide die Expression von Zielgenen. Usp hat die Möglichkeit sowohl als Heterodimer eine Bindung an EcR oder HR38 (einem anderen nukleären Rezeptorprotein) einzugehen, als auch ein Homodimer mit einem anderen Usp-Molekül zu bilden und dann JH zu binden. Damit kann Usp zu einem pleiotropen Faktor werden, der die Insektenentwicklung steuert, indem es die Wirkung beider Insektenhormone, der Ecdysteroide und von JH, in entscheidender Weise beeinflusst.Die vorliegende Arbeit präsentiert Daten zur Charakterisierung der ultraspiracle Komplementär-DNA (cDNA) von zwei Mitgliedern der Familie Apidae, der Stachellosen Bienen Melipona scutellaris und Scaptotrigona depilis. Unser Ziel war es, Informationen über die entsprechenden Aminosäurensequenzen zu erhalten, die dann in evolutive Analysen Eingang finden können. Insbesondere im Hinblick auf molekulare Mechanismen der Steuerung der Produktion des Dotterproteins Vitellogenin untersuchten wir ausserdem die Expressionsmuster des usp Gens im pupalen Fettkörper und in Gehirnen von Arbeiterinnen dieser beiden Arten. Puppenstadien dieser Stachellosen Bienen wurden aus Kolonien entnommen, die im Meliponarium der Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, Brasilien, gehalten wurden. Die Klonierung und Sequenzierung der usp cDNAs erfolgte durch PCR Amplifikation mittels spezifischer Primer für die Apis mellifera usp cDNA Sequenz. Für die Bestimmung der usp Expressionsmuster benutzten wir einen semiquantitativen RT-PCR Ansatz.Die usp cDNA Sequenzen für M. scutellaris und S. depilis umfassen 1284, bzw. 1665 Basenpaare, die für sehr ähnliche Polypeptide von 427 Aminosäuren kodieren. Diese Werte und Sequenzen sind identisch mit denen der Honigbiene und sehr ähnlich mit denen der Stechmücke Aedes aegypti, der Fliege Lucilia cuprina, des Reis-Stammbohrers Chilo suppressalis und auch mit der grossen Usp-Isoform der Schabe Blattella germanica.Die usp Expressionsmuster zeigten erstaunlich wenig Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Bienenarten, abgesehen von der Tatsache, dass die Transkriptionsraten im Gehirn und Fettkörper jeweils zu Beginn der Pupalentwicklung (Pw; siehe Tab. I und Abb. 3) am höchsten waren und zum Ende der Puppenphase abnahmen. Interessanterweise zeigten die Expressionsmuster im Fettkörper und in Gehirnen von M. scutellaris und in Gehirnen von S. depilis einen entgegengesetzten zu den Ecdysteroid-Titern der Hämolymphe dieser beiden Arten, was auf eine mögliche negative Kontrolle der usp Expression durch diese Hormonklasse hinweist.Bei S. depilis fanden wir in Gehirnen der frühen Pupenstadien eine hohe usp Transkriptionsrate, die dann in dem mittleren Stadium stark abfiel und damit stark von den bei M. scutellaris ermittelten Werten abwich. (Abb. 3). Die hohen Werte der usp Expression in Gehirnen der späten Puppenstadien weisen auf eine Steuerung durch JH hin (Hartfelder et al., 2006), dessen Titer bei der Honigbiene A. mellifera in diesen Stadien langsam ansteigt.