title: Characterization of the gut peptidome and the function of brain-gut peptides with regard to food intake and metabolism in Drosophila melanogaster and the agricultural pest Delia radicum
title: Aufklärung des Darmpeptidoms und der Funktion von „brain-gut“-Peptiden in Bezug zu Nahrungsaufnahme und Stoffwechsel bei Drosophila melanogaster und dem landwirtschaftlichen Schädling Delia radicum
Creators: name: Reiher, Wencke
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: insect metabolism
Biowissenschaften, Biologie
LC-MS
Insekten
Stoffwechsel
Drosophila
Stoffwechselregulation
Peptide
peptide signaling
allatostatin A
gut
Delia radicum
Verdauungssystem
Nahrungsaufnahme
enteroendocrine cell

description: Regulatorische Peptide, zu denen
      Neuropeptide und Peptidhormone zählen, sind Signalmoleküle,
      die der Zell-Zell-Kommunikation dienen und an der Kontrolle
      vielfältiger biologischer Prozesse in Insekten und anderen
      vielzelligen Tieren beteiligt sind. Wie der Verdauungstrakt
      von Säugetieren enthält auch der Mitteldarm der Insekten
      zahlreiche peptidbildende endokrine Zellen, wobei die
      Diversität der enteroendokrinen Insekten-Peptide deren
      Bedeutung für den Stoffwechsel, die Energiebalance und die
      Nahrungsaufnahme erahnen lässt. In der ersten Studie haben
      wir das Mitteldarm-Peptidom von adulten und larvalen
      Drosophila melanogaster charakterisiert. Dafür wurden die
      Peptide aus dem Mitteldarmgewebe extrahiert und anschließend
      ihre Strukturen mittels LC-MS/MS analysiert. Auf diese Weise
      konnten wir 24 Peptide identifizieren, die von 9
      verschiedenen Peptid-Vorläufermolekülen abstammen. Alle
      Darmpeptide konnten in identischer Form im ZNS nachgewiesen
      werden und stellen somit „brain-gut“-Peptide dar. Es wurde
      bereits gezeigt, dass für die Prozessierung von
      Neuropeptidhormonen in Drosophila die Subtilisin-ähnliche
      Proprotein-Konvertase 2 (dPC2, AMON) erforderlich ist. Unsere
      Ergebnisse legen nahe, dass AMON generell auch für die
      Bildung von Darmpeptiden benötigt wird. Mit der zweiten
      Studie konnten wir die Kenntnis von Peptidstrukturen in
      wichtigen Insekten weiter ausbauen. Wir haben das Peptidom
      der Kohlmade (d.h. der Larve der Kleinen Kohlfliege Delia
      radicum) untersucht, welche durch Wurzelfraß bedeutenden
      landwirtschaftlichen Schaden verursacht. Durch die
      massenspektrometrische Analyse von ZNS, Neurohämalorganen und
      Därmen konnten wir 38 Peptide aus diversen
      Insektenpeptidfamilien charakterisieren. Zudem konnten wir
      ein neues Peptid identifizieren, das Sequenzähnlichkeit zum
      Eclosionshormon-Vorläufermolekül bei einigen Drosophila-Arten
      aufweist. Die immuncytochemische Untersuchung von
      peptidbildenden Neuronen und enteroendokrinen Zellen zeigte,
      dass die Verteilung der Peptide in larvalen Drosophila und
      Delia sehr ähnlich ist. Die gefundenen Übereinstimmungen bei
      beiden Arten sprechen dafür, dass Drosophila im Hinblick auf
      die peptiderge Regulation z. B. des Stoffwechsels als
      genetisch zugängliches Modell für Schadinsekten dienen kann.
      In Zukunft könnten unsere Ergebnisse für die Entwicklung
      einer peptidbasierten Strategie zum zielgerichteten
      Management der Kohlfliege genutzt werden. In der dritten
      Studie haben wir die Rolle von Allatostatin A (AstA)
      untersucht – einer Peptidfamilie, die typischerweise in
      Insekten (und anderen Arthropoden) vorkommt. In
      vorangegangenen Studien konnte bereits demonstriert werden,
      dass AstA eine Rolle für die Regulation des Stoffwechsels und
      der Nährstoffhomöostase in Drosophila spielt. Wir haben uns
      der Frage gewidmet, ob sich spezifische Effekte auf die
      Aktivität bestimmter Subsets der zahlreichen bei adulten
      Taufliegen vorkommenden AstA-produzierenden Zellen
      zurückführen lassen. AstA-Neurone finden sich in
      verschiedenen Regionen des ZNS, außerdem enthält der Thorax
      mehrere periphere AstA-Neurone. Der Enddarm sowie der
      posteriore Mitteldarm werden von zentralen AstA-Neuronen
      innerviert. Zusätzlich existieren zahlreiche
      AstA-produzierende enteroendokrine Zellen, die im Epithel des
      posterioren Mitteldarms verstreut liegen. Die
      thermogenetische Aktivierung bestimmter AstA-Zellen führte
      dazu, dass die Nahrungsaufnahme der Fliegen signifikant
      reduziert und die lokomotorische Aktivität beträchtlich
      vermindert war. Die Kombination unserer Daten mit den
      Ergebnissen einer vorangegangenen Studie legte nahe, dass
      zwei Paar AstA-bildende Neurone des posterioren lateralen
      Protocerebrums das Sättigungsgefühl stimulieren, wohingegen
      die enteroendokrinen AstA-Zellen die Lokomotion regulieren.
      Weiterhin deuteten unsere Ergebnisse darauf hin, dass
      AstA-Zellen die Defäkation direkt und indirekt zu
      beeinflussen scheinen, wohingegen kein Effekt auf Wasser- und
      Ionenhomöostase festgestellt werden konnte. Außerdem haben
      wir mittels in vitro-Versuch die Wirkung von synthetischen
      AstA-Peptiden auf isolierte Mitteldärme getestet und konnten
      eine dosisabhängige Inhibition der Mitteldarmmotilität
      feststellen. Eine Verminderung der AstA-Rezeptor-mRNA in der
      Darmmuskulatur mittels RNAi zeigte, dass der Rezeptor DAR-2
      den myoinhibitorischen Effekt der AstA-Peptide vermittelt.
      Alles in allem scheinen AstA-Zellen, indem sie das
      Sättigungsempfinden, die Lokomotion, die Darmperistaltik und
      möglicherweise auch die Defäkation steuern, verschiedene
      Ebenen des Stoffwechsels und unterschiedliche Gewebe zu
      beeinflussen, und dabei mehrere mit der Nahrungsaufnahme
      sowie auch untereinander in Verbindung stehende Prozesse zu
      fördern.
description: Regulatory peptides, which comprise
      neuropeptides and peptide hormones, are cell-cell signaling
      molecules that control a variety of biological processes in
      insects and other metazoans. The insect midgut, like the
      mammalian digestive system, contains numerous
      peptide-producing endocrine cells, and the diversity of
      insect enteroendocrine peptides gives a hint at their
      relevance for metabolism, energy balance and feeding
      behavior. In the first study, we characterized the midgut
      peptidome of adult and larval Drosophila melanogaster by
      extraction of peptides from midgut tissue and subsequent
      LC-MS/MS analysis of peptide structures. By this means we
      identified 24 peptides originating from 9 different peptide
      precursors. All gut peptides were found in identical form
      within the CNS and thus represent brain-gut peptides.
      Processing of Drosophila neuropeptide hormones was previously
      shown to require the subtilisin-like proprotein convertase 2
      (dPC2, AMON). Our results suggest a general need of AMON for
      gut peptide production as well. In the second study, we could
      expand the knowledge on peptide structures of relevant
      insects. We investigated the peptidome of the cabbage maggot
      (i.e., the larva of the cabbage root fly Delia radicum),
      which causes substantial agricultural damage by feeding on
      plant roots. By mass spectrometric analysis of CNS,
      neurohemal organ and gut tissue, we could characterize 38
      peptides belonging to diverse insect peptide families.
      Moreover, we identified a new peptide with sequence
      similarity to the eclosion hormone precursor of several
      Drosophila species. Immunocytochemical characterization of
      peptide-producing neurons and enteroendocrine cells in
      cabbage maggots showed that peptide distribution was largely
      similar to Drosophila larvae. The observed similarities in
      the peptidergic systems of both species suggest that
      Drosophila can serve as a genetically accessible pest species
      model in terms of peptidergic regulation of, e.g.,
      metabolism. In the future, our results could be of use for
      the development of a targeted, peptide-based management of
      cabbage root flies. In the third study, we analyzed the role
      of allatostatin A (AstA), a peptide family commonly occurring
      in insects (and other arthropods). Previous studies had
      already demonstrated a role for AstA in metabolic regulation
      and nutritional homeostasis of Drosophila. We addressed the
      question whether specific effects were connected to the
      activity of certain subsets of the numerous AstA-producing
      cells found in adult fruit flies. AstA neurons are located in
      different regions of the CNS. The thorax also contains a few
      peripheral AstA neurons. The hindgut and the posteriormost
      portion of the midgut are innervated by central AstA neurons.
      In addition, a large number of enteroendocrine AstA cells are
      scattered across the epithelium of the posterior midgut.
      Thermogenetic activation of certain AstA cells significantly
      reduced food intake of flies, and also considerably
      diminished their locomotor activity. The combination of our
      results with findings of a previous study suggested that two
      pairs of AstA-producing posterior lateral protocerebrum
      neurons function to promote satiety, while enteroendocrine
      AstA cells seem to regulate locomotor activity. In addition,
      our findings indicated that AstA cells might directly and
      indirectly influence defecation behavior, while no effect on
      water and ion homeostasis could be observed. Furthermore, we
      tested the effect of synthetic AstA peptides on isolated
      midguts in vitro and observed a dose-dependent inhibition of
      midgut motility. Downregulation of AstA receptor mRNA in the
      gut musculature via RNAi showed that the DAR-2 receptor
      mediates the myoinhibitory effect of AstA peptides.
      Altogether, by influencing satiety, locomotion, gut
      peristalsis and possibly also defecation, AstA cells appear
      to affect different levels of metabolism and different
      tissues, seemingly promoting several interrelated processes
      connected to food intake.