Mecanismes moleculars d'acció dels ecdisteroides en l'insecte hemimetàbol

Abstract

El desenvolupament post-embrionàri dels insectes està controlat per les hormones esteroidees, les quals regulen les transicions entre les diferents etapes de que consta el seu cicle vital. En els insectes holometàbols, o de metamorfosi completa, un augment en els nivells de 20-hidroxiecdisona (20E, la forma activa dels ecdisteroides) senyalitza la muda a la següent fase larvària. Així mateix, un altre increment de 20E senyalitza l'entrada a la fase de pupa. A més, la presència de 20E durant la metamorfosi indueix la destrucció dels teixits larvàris i la formació de les estructures adultes. A nivell molecular, la 20E actua mitjançant la unió a un heterodímer format per dos membres de la família dels receptors nuclears, el receptor d'ecdisona (EcR) i ultraespiracle (USP). El receptor activat inicia una cascada gènica de resposta a la 20E que media i amplifica el senyal ecdisteroidal. Els gens activats per la 20E són factors de transcripció com E74 o BR-C i numerosos receptors nuclears.<br/>Pel contrari, la caracterització dels mecanismes moleculars d'acció dels ecdisteroides en els insectes hemimetàbols, o de desenvolupament directe, es pràcticament inexistent. En aquests insectes, el creixement i la maduració es donen simultàneament al llarg de successives fases nimfals. La panerola Blattella germanica s'utilitza com a model per estudiar aquest tipus de desenvolupament, el que permetrà entendre les bases moleculars de l'evolució de la metamorfosi.<br/>Prèviament, i amb l'objectiu d'estudiar la cascada gènica de resposta a la 20E a B. germanica, s'han clonat i caracteritzat els dos membres del receptor de la 20E en aquest insecte (BgEcR-A i BgRXR) i els receptors nuclears BgHR3 i BgFTZ-F1. Gràcies al silenciament de l'expressió gènica mitjançant RNAi in vivo s'han pogut estudiar les funcions d'aquests gens, i s'ha vist la seva implicació en els processos regulats per la 20E.<br/>En la present tesi doctoral s'han clonat i caracteritzat dos nous membres de la família dels receptors nuclears implicats en la resposta a la 20E, BgE75 i BgHR4. S'ha demostrat l'existència d'un eix gènic format pels receptors nuclears BgE75, BgHR3, BgHR4 i BgFTZ-F1, i s'ha vist que aquests factors presenten uns patrons d'expressió característics i repetitius al llarg del desenvolupament de B. germanica. En segon lloc, s'ha observat que la 20E regula de manera directe l'expressió de BgHR4 i de totes les isoformes de BgE75, excepte BgE75D.<br/>Mitjançant RNAi in vivo s'ha pogut estudiar la funció de BgE75 i s'ha comprovat que les diferents isoformes de BgE75 actuen de manera redundant. A més, BgE75 és indispensable pel desenvolupament nimfal d'aquesta panerola. La interferència de BgE75 durant la última fase nimfal resulta en la degeneració prematura de la glàndula protoràcica, el teixit encarregat de sintetitzar ecdisteroides. Com a conseqüència aquestes nimfes tenen una deficiència en els nivells d'ecdisteroides circulants la qual cosa els impedeix mudar a la fase adulta. Remarcablement, les nimfes interferides per BgE75 no muden, però inicien el programa genètic propi de la fase adulta.<br/>Per la seva banda, el receptor nuclear BgHR4 també és necessari pel desenvolupament nimfal de B. germanica, concretament en el procés d'ècdisi al final de les fases nimfals. Aquest efecte el produeix a dos nivells, induint l'expressió de BgFTZ-F1 i inhibint, a la vegada, l'expressió de BgE75.<br/>Per últim, hem demostrat l'efecte antiapoptòtic de la hormona juvenil durant el desenvolupament nimfal de B. germanica. Es necessari que la Hormona Juvenil estigui absent durant la última fase nimfal perquè l'eix gènic format pels receptors nuclears BgE75, BgHR3, BgHR4 i BgFTZ-F1 indueixi la degeneració de la glàndula protoràcica en la transició nimfa-adult.

<i>In insects, post embryonic development is under control of ecdysteroids. At the molecular level, 20-hydroxyecdysone (20E) acts through binding to its receptor, a heterodimer of the ecdysone receptor (EcR) and Ultraspiracle (USP). Both proteins belong to the nuclear receptor family. Once 20E binds to its receptor, the complex activates directly a subset of 20E-induced genes that mediate and amplify the response to this hormone.<br/>However, the mechanism of action of ecdysteroids in direct developing insects is poorly understood. To study at the molecular level the 20E response, the Ecdysone receptor (BgEcR-BgRXR), and the nuclear receptors, BgHR3 and BgFTZ-F1, of the direct developing insect B. germanica have been cloned and characterized using RNAi in vivo. <br/>In this thesis we have cloned and characterized BgE75 and BgHR4, two nuclear receptors involved in the 20E response. We demonstrate the presence of a genic cascade composed by the nuclear receptors BgE75-BgHR3-BgHR4 and BgFTZ-F1. These genes have a characteristic and repetitive patern of expresion during B. germanica development. We also demonstrate that 20E activates directly BgHR4 and all the BgE75 isoforms except BgE75D.<br/> Using RNAi in vivo we show that BgE75 is necessary during post embryonic development and we prove that the different isoforms of BgE75 act in a redundant way. Knocking down BgE75 in the last nymphal instar we observe a premature degeneration of the prothoracic gland, the tissue responsible for the synthesis of ecdysteroids. As a consequence, the circulant ecdysteroids are low, and the knockdown nymphs can not molt into the adult stage. Remarcably these knockdown nymphs initiate the adult genetic program although they are unable to molt.<br/>BgHR4 nuclear receptor is also necessary for B. germanica nymphal development, specifically during ecdysis at the end of each nymphal instar. This effect is caused because BgHR4 induces BgFTZ-F1 expression and, at the same time, represses BgE75.<br/>Finally we have shown the antiapoptotic effect of the Juvenile Hormone (JH) during the nymphal development of B. germanica. JH must be absent during the last nymphal instar to allow the BgE75-BgHR3-BgHR4-BgFTZ-F1 hierarchy to induce prothoracic gland degeneration during the nymphal-adult transition. </I>