Клетки жирового тела помогают дрозофилам избежать бактерий в пище

Поглощение патогенов с пищей представляет опасность для организма, и в ходе эволюции у многих видов развились различные поведенческие реакции избегания. Остается открытым вопрос, как связано обнаружение патогенов иммунной системой с избеганием потенциально опасной пищи. Авторы статьи в Neuron выяснили, что в формировании такой реакции у дрозофилы участвует жировое тело — метаболический и эндокринный орган насекомых, — которое в ответ на сигнал об узнавании патогена выделяет дофамин и стимулирует избегающее поведение. 

Сперва ученые проверили, как физиологические состояния организма — голод и репродуктивный статус — влияют на избегающее поведение в данном случае. Они провели опыты по выбору пищи на самках мух. Им предлагали на выбор раствор сахара, содержащий или не содержащий патогенные бактерии, и помощью системы flyPAD отслеживали пищевое поведение. Спарившиеся самки, которые до начала эксперимента голодали 3–5 часов, потребляли больше пищи, чем неспарившиеся или сытые. В том числе они потребляли больше сахарного раствора с бактериями, однако все же отдавали предпочтение пище без патогенов. 

В отличие от обоняния, вкусовое восприятие не влияло на избегающее поведение. Тогда ученые проверили, как сигналы врожденного иммунитета влияют на выбор пищи мухами. Дрозофилы, у которых отсутствовали основные антимикробные пептиды (АМП), демонстрировали противоположное поведение — они предпочитали сахарный раствор, содержащий патогенную бактерию Pseudomonas entomophila, а не безвредный мутантный штамм. 

Дальнейший скрининг поведения при делеции отдельных АМП и секвенирование РНК показали, что ключевую роль в избегании патогенов играет пептид DptB. 
Чтобы выяснить, где анатомически локализуется сигнал DptB, авторы подавили экспрессию этого пептида в жировом теле и энтероцитах средней кишки. Эти органы считаются первой линией иммунного ответа — уже известно, что у насекомых основным источником АМП служит жировое тело, а их выработка запускается сигналом рецепторов к бактериальным пептидогликанам (PGRP). Нокдаун DptB в жировом теле нарушал избегание патогенов, похожий эффект наблюдался и при нокдауне этого пептида в октопаминергических нейронах. (Октопамин — эндогенный амин, связанный с норадреналиновой системой.) 

Ученые проверили, необходим ли октопамин для избегающего поведения — они получили мух с мутацией в гене тирамин-β-гидроксилазы (TβH). Этот фермент катализирует лимитирующую стадию синтеза октопамина. Мухи с дефицитом TβH перестали отличать патогенную пищу от безвредной. 

Затем авторы проанализировали рецепторы октопамина. У дрозофилы их пять: OAMB, Octα2R, Octβ1R, Octβ2R и Octβ3R. Уже известна роль OAMB, экспрессирующегося в дофаминергических нейронах и клетках Кеньона (основных клетках грибовидных тел), в обонятельном ассоциативном обучении. Его селективный нокаут в этих клетках с помощью РНК-интерференции не повлиял на поведение мух, однако повсеместный нарушил их способность выбирать пищу без патогенов. 

Тогда исследователи провели нокаут рецепторов октопамина в жировом теле. Анализ OAMB и Octα2R был невозможен, поскольку в первом случае нокдаун оказался летальным, а для второго отсутствовал надежный инструмент РНК-интерференции. 

Анализ гистологических срезов головы взрослых мух и эксплантов мозга с прикрепленным жировым телом показал, что октопаминергические нейроны иннервируют жировое тело. При этом как такая иннервация, так и экспрессия Octβ2R в жировом теле необходима для избегания пищи, загрязненной патогенами. Ученые выявили особую популяцию октопаминергических нейронов, расположенных на дорсальной поверхности мозга вблизи жирового тела и экспрессирующих PGRP. Они предположили, что эти нейроны могут напрямую детектировать проглоченные патогены. 

Важную роль в обучении у дрозофил играют грибовидные тела мозга. Подтвердив, что для избегающего поведения необходим рецептор дофамина Dop1R1 в грибовидных телах, ученые оценили активность этих структур при контакте мух с патогенами. Они провели двухфотонную кальциевую визуализацию in vivo на мухах, уже сталкивавшихся или еще не сталкивавшихся с патогенными бактериями. Оказалось, что в первом случае нейроны грибовидных тел сильнее активировались запахом патогенов, а во втором, наоборот, запахом безвредной пищи. Когда авторы ограничили сигнал дофамина, снизив экспрессию тирозингидроксилазы (ключевого фермента его синтеза) в жировом теле, эта разница исчезла. 

Таким образом, для избегания патогенов в пище необходим дофаминовый сигналинг, причем его обеспечивает именно жировое тело, а не дофаминергические нейроны. Патогенные бактерии в пище детектируются рецепторами врожденного иммунитета PGRP в обонятельных нейронах и клетках жирового тела. Активация PGRP индуцирует выработку антимикробного пептида DptB, и октопаминергические нейроны, которые иннервируют жировое тело. В ответ на стимуляцию жировое тело выделяет дофамин, который воздействует на грибовидные тела и через них модулирует поведение мухи — снижает тягу к пище, которая пахнет патогенами. 

Запах пищи активирует в мозге мышей нейроны, снижающие аппетит