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Le comunità microbiche nelle zanzare sono molto promettenti per le strategie di biocontrollo dei vettori. La maggior parte dei simbionti non sono coltivabili e richiedono analisi metagenomiche. Descriviamo un metodo per sezionare le zanzare femmine e separare le ovaie, l'intestino medio e le ghiandole salivari prevenendo la contaminazione incrociata, facilitando gli studi sul microbioma a livello di organo e migliorando la comprensione dei ruoli dei microrganismi nella biologia delle zanzare.
L'onere globale delle malattie trasmesse dalle zanzare, tra cui la malaria, la dengue, il Nilo occidentale, la Zika, l'Usutu e la febbre gialla, continua ad aumentare, rappresentando una significativa minaccia per la salute pubblica. Con l'aumento della resistenza agli insetticidi e l'assenza di vaccini efficaci, stanno emergendo nuove strategie che si concentrano sul microbiota della zanzara. Tuttavia, la maggior parte dei simbionti rimane resistente alla coltivazione. La caratterizzazione della diversità e della funzione dei genomi batterici negli esemplari di zanzara, quindi, si basa sulla metagenomica e sulle successive strategie di assemblaggio e binning. L'ottenimento e l'analisi dei genomi assemblati con metagenoma (MAG) da organi separati possono fornire informazioni chiave sul ruolo specifico dei microbi associati alle zanzare nelle ovaie (gli organi riproduttivi), nell'intestino medio (chiave per la digestione e l'immunità del cibo) o nelle ghiandole salivari (essenziali per la trasmissione di malattie trasmesse da vettori poiché gli agenti patogeni devono colonizzarle per entrare nella saliva e raggiungere il flusso sanguigno durante un pasto di sangue). Questi genomi appena ricostruiti possono quindi aprire la strada allo sviluppo di nuove strategie di biocontrollo dei vettori. A tal fine, è necessario isolare gli organi delle zanzare evitando la contaminazione incrociata tra di loro o con microrganismi presenti in altri organi delle zanzare. Qui, descriviamo un protocollo di dissezione ottimizzato e privo di contaminazioni per lo studio del microbioma delle zanzare a livello di organo.
Le zanzare diffondono una vasta gamma di agenti patogeni che causano malattie e rappresentano una seria minaccia per la salute pubblica. A causa di una maggiore prevalenza di resistenza agli insetticidi tra le popolazioni di zanzare e in assenza di vaccini efficaci contro questi agenti patogeni, stanno emergendo nuovi metodi di biocontrollo che si concentrano sul microbioma delle zanzare. In particolare, spicca il batterio intracellulare Wolbachia, che può interferire con la trasmissione di agenti patogeni e manipolare la riproduzione dell'ospite 1,2,3. Inoltre, altri simbionti di zanzara sono fondamentali per la sopravvivenza, lo sviluppo o il sistema immunitario del loro ospite, nonché nell'infezione e nella trasmissione di agenti patogeni, e mostrano grandi promesse per il loro sfruttamento per combattere le malattie trasmesse da vettori 4,5,6,7,8.
I microrganismi associati alle zanzare abbracciano tutti i domini della vita microbica (inclusi batteri, eucarioti e funghi) che interagiscono intimamente con il loro ospite ma anche tra loro nei diversi compartimenti corporei 9,10. Pertanto, una migliore comprensione del microbiota, della sua potenziale variazione stagionale11 e dei meccanismi attraverso i quali i suoi membri interagiscono direttamente nei distinti tessuti delle zanzare può aiutare a sviluppare nuovi metodi di biocontrollo mirati o migliorare quelli esistenti. Tuttavia, la maggior parte dei simbionti rimane resistente alla coltivazione, rendendo impossibile la loro caratterizzazione.
L'avvento di metodi di sequenziamento di seconda e terza generazione, insieme ad approcci di assemblaggio e binning all'avanguardia, hanno consentito la ricostruzione dei genomi microbici e l'accesso alla diversità e al potenziale funzionale dei microbi non coltivabili. Qui, presentiamo un metodo per la dissezione delle ovaie, dell'intestino medio e delle ghiandole salivari delle zanzare femmine, prevenendo la contaminazione incrociata. Questo protocollo può essere seguito dall'estrazione del DNA genomico e dal successivo metabarcoding o sequenziamento metagenomico shotgun per esplorare la diversità e la funzione del microbiota delle zanzare a livello d'organo. Forniamo un esempio di dati sulla dissezione delle zanzare e sul microbioma per gli esemplari di Culex spp., sebbene questo protocollo possa essere esteso a vettori di altri generi come Anopheles o Aedes.
NOTA: La Figura 1 mostra uno schema del metodo che riassume le diverse fasi del protocollo.
1. Preparazione del materiale
2. Raccolta delle zanzare
3. Sterilizzazione superficiale delle zanzare
NOTA: Pulire pinze e aghi e utilizzare tubi nuovi e sterilizzati tra ogni organo e individuo. Se la candeggina non è disponibile, assicurarsi di sterilizzare accuratamente a fiamma le pinze e gli aghi da dissezione tra la dissezione di ciascun individuo e organo per prevenire la contaminazione incrociata del materiale biologico. Gli strumenti di dissezione devono essere asciutti, senza residui di candeggina/etanolo, prima dell'uso successivo.
4. Dissezione delle zanzare
x'Dissezioni delle zanzare
Seguendo il protocollo, abbiamo raccolto e isolato le ovaie, l'intestino medio, le ghiandole salivari e la carcassa di due esemplari di Culex pipiens molestus (tra cui una femmina gravida) da una colonia di laboratorio. Abbiamo confermato dissezioni pulite a seguito dell'osservazione di organi interi (cioè integri) e ben isolati senza detriti residui sotto il binocolo. L'intero corpo, la testa e il torace, le ghiandole salivari sezionate, le ovaie e l'intestino medio di un esemplare di Culex pipiens molestus sono mostrati nella Figura 2. Come previsto, l'intestino medio e le ghiandole salivari erano di un ordine di grandezza più piccole delle ovaie delle zanzare. Le uova di un esemplare gravido di Culex , insieme al suo intestino medio e ai tubuli malpighiani, sono presentate nella Figura 3. Da notare che le dissezioni sono più inclini a fallire quando il materiale non è fresco ed è probabile che il tessuto si rompa (Figura 4B, C). Si consiglia quindi di dissezionare il materiale subito dopo la raccolta (entro meno di 12 ore) quando possibile, poiché i tessuti sono ancora elastici (Figura 4A). Allo stesso modo, è possibile eseguire la dissezione di materiale congelato, ma esiste un rischio molto più elevato di fallimento e contaminazione incrociata tra gli organi a causa di tessuti fragili (Figura 4).
Dati del microbioma
Inoltre, abbiamo raccolto e separato l'intestino medio e le ovaie da tre singoli esemplari di Culex quinquefasciatus di Noumea, Nuova Caledonia, seguendo la stessa procedura. Abbiamo estratto il DNA da ciascun organo, preparato campioni per il sequenziamento dell'intero genoma ed eseguito analisi dei dati del microbioma come descritto nel File supplementare 1. Un'analisi della diversità tassonomica batterica su letture brevi non assemblate e filtrate di qualità utilizzando PhyloFlash12 ha mostrato taxa dominanti distinti nell'intestino medio rispetto alle ovaie (Figura 5A). In particolare, le comunità batteriche ovariche erano dominate da Wolbachia, con l'ulteriore presenza di un filotipo di Spirochaetaceae nelle ovaie degli individui 3, mentre le comunità dell'intestino medio mostravano una più ampia diversità, tra cui Gammaproteobacteria, Spirochaetaceae e Firmicutes. Dagli stessi dati di sequenziamento, abbiamo ricostruito quattro genomi assemblati in metagenoma (MAG) con completamento > 80% e ridondanza < 5%, appartenenti alle classi Spirochezia, Alfa- e Gammaproteobatteri (Tabella 1).
Come previsto, i MAG qui ricostruiti non coprivano l'intera diversità tassonomica prevista dai risultati di PhyloFlash a causa delle carenze specifiche della ricostruzione del genoma utilizzando letture brevi metagenomiche. Il MAG assegnato a Wolbachia (Rif. MAG 3 nella Tabella 1) è stato rilevato in tutte le ovaie e in due dell'intestino medio e ha avuto una copertura più elevata nelle ovaie (Figura 5B). Abbiamo anche ricostruito due MAG appartenenti alla famiglia delle Enterobacteriaceae , tra cui il genere Pantoea (Rif. MAG 1 e 2 nella Tabella 1), nell'intestino medio ottenuto dagli individui Culex 2 e 3, che non sono stati rilevati nelle ovaie corrispondenti (Figura 5B). Infine, abbiamo anche ricostruito un genoma batterico delle Spirochaetaceae , Ref. MAG 4 (Tabella 1), assegnato al genere BR149 che è stato isolato con successo da Culex pipiens midguts da Graña-Miraglia e colleghi13. È interessante notare che questo MAG è stato rilevato nell'intestino medio degli individui 1 e 3, così come nelle ovaie dell'individuo 3 (Figura 5B).
Figura 1: Schema del metodo che riassume i diversi passaggi. Preparazione del materiale, raccolta delle zanzare, pulizia delle zanzare, dissezione delle zanzare e stoccaggio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Culex pipiens molestus femmina. (A) Tutto il corpo. (B) Testa e torace. (C) Ghiandole salivari sezionate. (D) Ovaie sezionate. (E) Budello sezionato con tubuli di Malpighi. Barre di scala = 500 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Addome sezionato di una femmina gravida di Culex pipiens molestus . Sono mostrati l'intestino anteriore, l'intestino medio, l'intestino posteriore, i tubuli malpighiani e le uova dell'esemplare. I trattini rossi indicano dove tagliare per separare l'intestino medio dall'intestino anteriore e dall'intestino posteriore. Barra della scala = 500 μm. Abbreviazioni: F = intestino anteriore; M = intestino medio; H = intestino posteriore; E = uova; MT = tubuli malpighiani. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Dissezione di esemplari di zanzara Culex freschi e congelati. Rettangoli bianchi illustrano (A) tessuti di zanzara con organi intatti da un esemplare appena sezionato e (B,C) materiale biologico rotto da campioni che sono stati congelati prima della dissezione. Barre di scala = 720 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Esempio di analisi del microbioma su tre individui di Culex quinquefasciatus . (A) Visualizzazione della diversità batterica stimata attraverso l'estrazione di reads di rRNA SSU con PhyloFlash12 nell'intestino medio e nelle ovaie dei tre campioni. (B) Copertura media dei MAG ricostruiti sui campioni. Abbreviazioni: MAG = Metagenome-Assembled Genome; Ind = Individuale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
MAG | Rif. MAG 4 | Rif. MAG 2 | Rif. MAG 1 | Rif. MAG 3 |
Lunghezza (bp) | 1,287,790 | 4,910,866 | 4,751,276 | 1,298,266 |
Numero di contig | 9 | 162 | 149 | 123 |
% GC | 34.05 | 55.45 | 54.05 | 34.15 |
Completamento (%) | 84.5 | 97.18 | 98.59 | 91.55 |
Ridondanza (%) | 0 | 2.82 | 4.22 | 0 |
Dominio | Batteri | Batteri | Batteri | Batteri |
Phylum | Spirochaetota | Proteobatteri | Proteobatteri | Proteobatteri |
Classe | Spirochezia | Gammaproteobatteri | Gammaproteobatteri | Alfaproteobatteri |
Ordine | WRBN01 | Enterobacterales | Enterobacterales | Rickettsiales |
Famiglia | WRBN01 | Enterobacteriaceae | Enterobacteriaceae | Anaplasmataceae |
Genere | BR149 | Pantoea | - | Wolbachia |
Tabella 1: MAG ricostruiti dai tre individui di Culex quinquefasciatus . Dimensione del genoma, numero di contig, proporzione di GC, stime di completamento e ridondanza basate sulla collezione di geni core a copia singola disponibile in Anvi'o17 e sulla tassonomia ottenuta utilizzando GTDB18.
File supplementare 1: Esempio dettagliato di procedura per l'analisi dei dati del microbioma a partire dalla raccolta del campione, dall'estrazione del DNA e dal sequenziamento dell'intero genoma, seguita dal flusso di lavoro bioinformatico per la ricostruzione del genoma e la stima della proporzione di lettura procariotica ed eucariotica Fare clic qui per scaricare questo file.
Si consiglia di prestare particolare attenzione alla sequenza di dissezione degli organi, a partire dalle ghiandole salivari. Infatti, abbiamo osservato che venivano estratti più facilmente dal torace degli esemplari di Culex se veniva preservata l'integrità della zanzara. I danni all'addome o al torace potrebbero ridurre la pressione nel corpo della zanzara, ostacolando la procedura. Tuttavia, è anche possibile tagliare tra il torace e l'addome e quindi estrarre le ghiandole salivari dalla testa e dal torace (A. B. Failloux, comunicazione personale). Inoltre, l'acquisizione di competenze di dissezione può essere impegnativa, quindi suggeriamo di esercitarsi su un numero adeguato di campioni prima dell'esperimento.
Isolare gli organi delle zanzare evitando la contaminazione incrociata in modo sistematico è fondamentale per un'ampia gamma di analisi del microbiota delle zanzare a valle. Uno studio metagenomico risolto nel genoma a seguito della dissezione di singole ovaie da campioni di Culex pipiens nel sud della Francia ha permesso la scoperta del primo plasmide di Wolbachia in Culex pipiens (pWCP14). Utilizzando un approccio simile, abbiamo studiato la distribuzione e la frequenza di pWCP in esemplari di Culex pipiens e Culex quinquefasciatus provenienti da aree continentali e insulari di tutto il mondo, in varie condizioni ambientali e di laboratorio. Nel complesso, i dati hanno rivelato un elemento plasmidico di Wolbachia notevolmente conservato nelle zanzare Culex , suggerendo un ruolo cruciale per questo elemento mobile nella biologia dell'endosimbionte15, giustificando ulteriori analisi.
Qui, forniamo ulteriori esempi di analisi del microbioma delle zanzare su campioni di intestino medio e ovaie ottenuti utilizzando questa procedura sistematica. Abbiamo osservato una chiara differenza nel microbiota tra i tessuti (Figura 5), sia con taxa batterici condivisi che organo-specifici. Come previsto, la presenza di Wolbachia è stata rilevata in entrambi gli organi, con una maggiore abbondanza relativa (basata su letture brevi non assemblate) e una copertura media di MAG nelle ovaie delle zanzare rispetto all'intestino medio, coerentemente con l'osservazione che questo endosimbionte viene trasmesso attraverso le ovaie e successivamente si diffonde ai tessuti somatici. Sebbene questo studio sia stato limitato a campioni provenienti dalla Nuova Caledonia, questo protocollo può facilitare lo studio della variabilità genomica di Wolbachia su scala globale, nonché del suo ruolo in vari fenotipi, tra cui la regolazione della densità di se stesso e la protezione virale. Inoltre, questo lavoro esemplifica come la procedura di dissezione qui presentata consenta l'esame della diversità tassonomica e delle potenziali capacità funzionali dei simbionti di zanzara all'interno di campioni di intestino medio.
Abbiamo ottenuto due genomi di bozza enterobatterica che erano presenti solo in due campioni di intestino medio, confermando l'assenza di contaminazione tra gli organi per questi due campioni. Per quanto riguarda le spirochete, rilevate sia nell'intestino medio che nelle ovaie dell'individuo 3, Juma e colleghi, 2020 hanno osservato la presenza di questi batteri sulla superficie delle zattere di uova. Gli autori hanno suggerito che le comunità batteriche trovate nelle zattere delle uova potrebbero essere ereditate principalmente dalla madre dalle ovaie, dato che le zattere sono state conservate in acqua deionizzata e priva di batteri. Tuttavia, non hanno potuto escludere la possibilità che la colonizzazione batterica si verifichi subito dopo l'ovideposizione e hanno raccomandato ulteriori studi sul microbioma ovarico16.
Sebbene inizialmente progettato per esemplari del complesso di specie Culex pipiens , prevediamo l'applicabilità di questo protocollo a una più ampia comunità di entomologi medici che studiano altri vettori come Anopheles o Aedes. Operando a livello di singoli organi, questo metodo può consentire confronti genomici sia intra che interindividuali, offrendo approfondimenti sulla variabilità genomica simbionte su scala fine, con il potenziale di far progredire le strategie di controllo dei vettori. Questo metodo di dissezione e isolamento delle ghiandole salivari, delle ovaie e dell'intestino medio, prevenendo la contaminazione crociata microbica, potrebbe anche essere un protocollo utile per gli studi sulla dinamica dell'infezione virale all'interno di questi tre organi.
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Ringraziamo Gilbert Legoff per aver insegnato a Jordan Tutagata come sezionare le ghiandole salivari dalle zanzare e Giuliano Mucci per l'aiuto con le foto degli organi delle zanzare. Ringraziamo Anna-Bella Failloux e Nonito Pages per l'utile discussione sul protocollo. Questo lavoro è stato sostenuto dal RosaLind Starting Grant "948135" dell'ERC a JR. Ringraziamo la piattaforma Vectopole (IRD, Montpellier) per il supporto tecnico e per l'allevamento e il mantenimento delle popolazioni di zanzare.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alcohol 96° | Fisher scientific | 10332562 | |
Binocular magnifier | |||
Bleach | RAJA | 145517 | 150 tablets of 1.5 g |
DNA prep kit | Illumina | Provided by MGX sequencing platform | Previously known as Nextera DNA Flex |
DNA-RNA Shield (50 mL) | Zymo research | ZR1100-50 | Preservation buffer |
DNeasy Blood and Tissue Kit | Qiagen | 69504 | DNA extraction kit |
Filter tips 20 µL | Starlab | S1120-3810 | |
Filter tips 200 µL | Starlab | S1120-8710 | |
Filter tips 1000 µL | Starlab | S1122-1730-C | |
Forceps | FST (Fine Science Tools) | 11252-20 | Dumont Forceps #5 |
Library quantification kit | Roche | Provided by MGX sequencing platform | KAPA Library Quanitification Kits |
Micropipettes 2-20 µL | Eppendorf | 6.291704 | |
Micropipettes 20-200 µL | Eppendorf | 6.291703 | |
Micropipettes 100-1000 µL | Eppendorf | 7.648488 | |
Microscope slides | Epredia | J1800BMNZ | dimension : 75 mm x 50 mm |
Needles | Terumo | AN*2719R1 | |
NGS kit | Agilent | Provided by MGX sequencing platform | Fragment Analyzer Systems HS Genomic DNA 50kb Kit |
NovaSeq 6000 | Illumina | Provided by MGX sequencing platform | Sequencer |
PBS Phosphate Buffered Saline (Sterile) | Fisher scientific | 10212990 | |
Permanent black marker | |||
Sterile Eppendorf | Dutscher | 33871 | 1.5 mL |
Support for needles | FST (Fine Science Tools) | 26016-12 | Moria MC1 Pin Holder 12 cm |
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