Molecular physiology of chemical defenses in a poison frog
Authors: Caty Stephanie N. , Alvarez-Buylla Aurora , Byrd Gary D. , Vidoudez Charles , Roland Alexandre B. , Tapia Elicio E. , Budnik Bogdan , Trauger Sunia A. , Coloma Luis A. , O’Connell Lauren A. 
Published: March 2019

Poison frogs sequester small molecule lipophilic alkaloids from their diet of leaf litter arthropods for use as chemical defenses against predation. Although the dietary acquisition of chemical defenses in poison frogs is well-documented, the physiological mechanisms of alkaloid sequestration has not been investigated. Here, we used RNA sequencing and proteomics to determine how alkaloids impact mRNA or protein abundance in the Little Devil Frog (Oophaga sylvatica) and compared wild caught chemically defended frogs to laboratory frogs raised on an alkaloid-free diet. To understand how poison frogs move alkaloids from their diet to their skin granular glands, we focused on measuring gene expression in the intestines, skin, and liver. Across these tissues, we found many differentially expressed transcripts involved in small molecule transport and metabolism, as well as sodium channels and other ion pumps. We then used proteomic approaches to quantify plasma proteins, where we found several protein abundance differences between wild and laboratory frogs, including the amphibian neurotoxin binding protein saxiphilin. Finally, because many blood proteins are synthesized in the liver, we used thermal proteome profiling as an untargeted screen for soluble proteins that bind the alkaloid decahydroquinoline. Using this approach, we identified several candidate proteins that interact with this alkaloid, including saxiphilin. These transcript and protein abundance patterns suggest the presence of alkaloids influences frog physiology and that small molecule transport proteins may be involved in toxin bioaccumulation in dendrobatid poison frogs.

Las ranas venenosas obtienen moléculas lipofílicas a partir de su dieta de artrópodos que luego usan como una defensa química contra depredadores. Mientras que la acumulación de toxinas dietéticas ha sido bien documentada, el mecanismo fisiológico de obtención de alcaloides no ha sido investigado. En este estudio usamos secuenciación de RNA y proteómica para determinar cómo la presencia de alcaloides afecta la abundancia de mRNA y proteínas en ranas diablito (Oophaga sylvatica) silvestres con defensas químicas en comparación a ranas diablito criadas en laboratorio con una dieta sin alcaloides. Para entender cómo las ranas venenosas mueven los alcaloides de su dieta a las glándulas granulares en su piel, nos enfocamos en medir la expresión de genes en tres tejidos: intestinos, piel e hígado. En estos tejidos, encontramos varios transcriptomas regulados diferencialmente que tienen actividades involucradas con el transporte y metabolismo de pequeñas moléculas, además de canales de sodio y bombas de iones. Luego usamos métodos proteómicos para cuantificar proteínas en plasma, donde encontramos varias diferencias en abundancia de proteínas entre las ranas silvestres y de laboratorio, incluyendo la proteína anfibia de fijación de toxinas, saxifilina. Finalmente, debido a que muchas proteínas encontradas en la sangre se sintetizan en el hígado, usamos la técnica de perfilación proteómica termal para seleccionar imparcialmente las proteínas solubles que fijan el alcaloide decahydroquinolina. Usando este método, identificamos varias posibles proteínas que interactúan con este alcaloide, incluyendo saxifilina. Estos patrones de cambios en abundancia de transcriptomas y proteínas en ranas con y sin defensas químicas sugieren que la presencia de alcaloides influye en la fisiología de las ranas y que moléculas proteicas pequeñas de transporte podrían estar involucradas en la bioacumulación de toxinas en ranas venenosas dendrobátidos.

Summary Statement

Chemically defended wild poison frogs have gene expression and protein abundance differences across several tissue systems compared to poison frogs reared on an alkaloid-free diet.