Insekticidresistenta Anopheles-myggor från Etiopien, men inte Burkina Faso, uppvisar förändringar i mikrobiotans sammansättning efter exponering för insektsmedel | Parasiter och vektorer

Malaria är fortfarande en viktig orsak till dödsfall och sjukdom i Afrika, med den största bördan bland barn under 5 år. Det mest effektiva sättet att förebygga sjukdomen är insekticida vektorkontrollmedel som riktar sig mot vuxna Anopheles-myggor. Som ett resultat av den utbredda användningen av dessa ingrepp är resistensen mot de vanligaste klasserna av insektsmedel nu utbredd över hela Afrika. Att förstå de underliggande mekanismerna som leder till denna fenotyp är viktigt både för att spåra spridningen av resistens och för att utveckla nya verktyg för att övervinna den.
I denna studie jämförde vi mikrobiomsammansättningen av insekticidresistenta populationer av Anopheles gambiae, Anopheles cruzi och Anopheles arabiensis från Burkina Faso med insekticidkänsliga populationer, även från Etiopien.
Vi hittade inga skillnader i mikrobiotasammansättningen mellan insekticidresistenta ochinsekticid-mottagliga populationer i Burkina Faso. Detta resultat bekräftades av laboratoriestudier av kolonier från två Burkina Faso-länder. Däremot observerades i Anopheles arabiensis-myggor från Etiopien tydliga skillnader i mikrobiotasammansättningen mellan de som dog och de som överlevde exponering för insekticider. För att ytterligare undersöka resistensen hos denna Anopheles arabiensis-population utförde vi RNA-sekvensering och hittade differentiellt uttryck av avgiftningsgener associerade med insekticidresistens, såväl som förändringar i respiratoriska, metabola och synaptiska jonkanaler.
Våra resultat tyder på att mikrobiotan i vissa fall kan bidra till utvecklingen av insekticidresistens, förutom transkriptomförändringar.
Även om resistens ofta beskrivs som en genetisk komponent i Anopheles-vektorn, har nyare studier visat att mikrobiomet förändras som svar på exponering för insekticider, vilket tyder på en roll för dessa organismer i resistens. Studier av myggvektorer från Anopheles gambiae i Syd- och Centralamerika har visat betydande förändringar i den epidermala mikrobiomet efter exponering för pyretroider, såväl som förändringar i den övergripande mikrobiomen efter exponering för organofosfater. I Afrika har pyretroidresistens associerats med förändringar i mikrobiotans sammansättning i Kamerun, Kenya och Elfenbenskusten, medan laboratorieanpassade Anopheles gambiae har visat förändringar i sin mikrobiota efter urval för pyretroidresistens. Vidare visade experimentell behandling med antibiotika och tillägg av kända bakterier i laboratoriekoloniserade Anopheles arabiensis-myggor ökad tolerans mot pyretroider. Tillsammans tyder dessa data på att insekticidresistens kan kopplas till myggmikrobiomet och att denna aspekt av insekticidresistens skulle kunna utnyttjas för sjukdomsvektorkontroll.
I denna studie använde vi 16S-sekvensering för att avgöra om mikrobiotan av laboratoriekoloniserade och fältinsamlade myggor i Väst- och Östafrika skilde sig mellan de som överlevde och de som dog efter exponering för pyretroiddeltametrin. I samband med resistens mot insektsmedel kan en jämförelse av mikrobiota från olika regioner i Afrika med olika arter och nivåer av resistens hjälpa till att förstå regional påverkan på mikrobiella samhällen. Laboratoriekolonierna kom från Burkina Faso och föds upp i två olika europeiska laboratorier (An. coluzzii i Tyskland och An. arabiensis i Storbritannien), myggor från Burkina Faso representerade alla tre arterna av An. gambiae artkomplex och myggor från Etiopien representerade An. arabiensis. Här visar vi att Anopheles arabiensis från Etiopien hade distinkta mikrobiotasignaturer i levande och döda myggor, medan Anopheles arabiensis från Burkina Faso och två laboratorier inte hade det. Syftet med denna studie är att ytterligare undersöka resistens mot insektsmedel. Vi utförde RNA-sekvensering på Anopheles arabiensis-populationerna och fann att gener associerade med insekticidresistens var uppreglerade, medan andningsrelaterade gener i allmänhet förändrades. Integration av dessa data med en andra population från Etiopien identifierade viktiga avgiftningsgener i regionen. Ytterligare jämförelse med Anopheles arabiensis från Burkina Faso avslöjade signifikanta skillnader i transkriptomprofiler, men identifierade fortfarande fyra viktiga avgiftningsgener som överuttrycktes i Afrika.
Levande och döda myggor av varje art från varje region sekvenserades sedan med användning av 16S-sekvensering och relativa mängder beräknades. Inga skillnader i alfadiversitet observerades, vilket indikerar inga skillnader i rikedom av operationell taxonomic unit (OTU); beta-mångfalden varierade dock avsevärt mellan länder, och interaktionsvillkor för land och status som levande/död (PANOVA = 0,001 respektive 0,008) indikerade att det fanns mångfald mellan dessa faktorer. Inga skillnader i betavarians observerades mellan länder, vilket tyder på liknande varianser mellan grupper. Bray-Curtis multivariata skalningsplot (Figur 2A) visade att prover till stor del var segregerade efter plats, men det fanns några anmärkningsvärda undantag. Flera prover från An. arabiensis-gemenskapen och ett prov från An. coluzzii-gemenskapen överlappade med ett prov från Burkina Faso, medan ett prov från An. arabiensis-prover från Burkina Faso överlappade med An. arabiensis community prov, vilket kan indikera att den ursprungliga mikrobiotan slumpmässigt upprätthölls under många generationer och över flera regioner. Proverna från Burkina Faso var inte tydligt åtskilda efter art; denna brist på segregation förväntades eftersom individer därefter slogs samman trots att de kom från olika larvmiljöer. Studier har faktiskt visat att dela en ekologisk nisch under vattenstadiet avsevärt kan påverka sammansättningen av mikrobiotan [50]. Intressant nog, medan Burkina Fasos myggprover och samhällen inte visade några skillnader i myggans överlevnad eller dödlighet efter insekticidexponering, var de etiopiska proverna tydligt segregerade, vilket tyder på att mikrobiotasammansättningen i dessa Anopheles-prover är associerad med insekticidresistens. Proverna samlades in från samma plats, vilket kan förklara det starkare sambandet.
Resistens mot pyretroida insekticider är en komplex fenotyp, och medan förändringar i metabolism och mål är relativt väl studerade, börjar förändringar i mikrobiotan bara att utforskas. I denna studie visar vi att förändringar i mikrobiotan kan vara viktigare i vissa populationer; vi karakteriserar vidare insekticidresistens i Anopheles arabiensis från Bahir Dar och visar förändringar i kända resistensassocierade transkript, såväl som signifikanta förändringar i respirationsrelaterade gener som också var uppenbara i en tidigare RNA-seq-studie av Anopheles arabiensis-populationer från Etiopien. Tillsammans tyder dessa resultat på att insekticidresistens hos dessa myggor kan bero på en kombination av genetiska och icke-genetiska faktorer, troligtvis eftersom symbiotiska relationer med inhemska bakterier kan komplettera insekticidnedbrytning i populationer med lägre nivåer av resistens.
Nyligen genomförda studier har kopplat ökad andning till insekticidresistens, i överensstämmelse med de berikade ontologiska termerna i Bahir Dar RNAseq och de integrerade etiopiska data som erhålls här; återigen antyder att resistens resulterar i ökad andning, antingen som en orsak eller konsekvens av denna fenotyp. Om dessa förändringar leder till skillnader i reaktivt syre- och kvävearterspotential, som tidigare föreslagits, kan detta påverka vektorkompetens och mikrobiell kolonisering genom differentiell bakteriell resistens mot ROS-rening av långvariga kommensala bakterier.
De data som presenteras här ger bevis för att mikrobiotan kan påverka resistens mot insektsmedel i vissa miljöer. Vi visade också att An. arabiensis-myggor i Etiopien uppvisar liknande transkriptomförändringar som ger insekticidresistens; antalet gener som motsvarar dem i Burkina Faso är dock litet. Flera reservationer kvarstår när det gäller slutsatserna här och i andra studier. Först måste ett orsakssamband mellan pyretroids överlevnad och mikrobiotan påvisas med hjälp av metabolomiska studier eller mikrobiotatransplantation. Dessutom måste validering av nyckelkandidater i flera populationer från olika regioner demonstreras. Slutligen kommer att kombinera transkriptomdata med mikrobiotadata genom riktade posttransplantationsstudier ge mer detaljerad information om huruvida mikrobiotan direkt påverkar myggtranskriptomet med avseende på pyretroidresistens. Men tillsammans tyder våra data på att resistens är både lokal och transnationell, vilket visar på behovet av att testa nya insekticidprodukter i flera regioner.