Caracterização dos componentes moleculares do ciclo circadiano no desenvolvimento e senescência de Apis mellifera

• Main Author: Abreu, Fabiano Carlos Pinto de
• Other Authors: Simoes, Zila Luz Paulino
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2018
• Subjects: Apis mellifera; ciclo circadiano; circadian clock; circadian rhythms; clock genes; genes do relógio; miRNAs; ritmos circadianos
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/17/17135/tde-20022019-111534/

O ciclo circadiano é um sistema adaptativo e vantajoso que permite a antecipação dos organismos e sincronização de suas atividades fisiológicas frente às variações ambientais que ocorrem ao longo do dia. Seu funcionamento molecular acontece pela geração dos ritmos circadianos, os quais surgem a partir da expressão cíclica dos genes do relógio em um feedback autoregulatório. Em insetos, os ritmos circadianos apresentam função importante em coordenar o timing do desenvolvimento e o comportamento. Nos últimos anos, estudos desvendaram que o relógio molecular de insetos sociais apresenta um funcionamento mais similar ao relógio de mamíferos do que com outros insetos como Drosophila melanogaster. Em especial, abelhas sociais têm sido ótimos modelos para investigar como os ritmos circadianos são modulados de acordo com as interações sociais entre os indivíduos, a plasticidade comportamental e a divisão social do trabalho entre as operárias. Operárias jovens (nutrizes) cuidam da cria no interior da colônia e geralmente apresentam uma atividade arrítimica ao longo de 24 horas, enquanto as abelhas mais velhas (forrageiras) são rítmicas e desenvolvem atividades complexas no ambiente externo. Nesse trabalho, nós caracterizamos os perfis de expressão dos genes do relógio period (per), cryptochrome mammalian-like (cry-m), clock (clk), cycle (cyc), timeout 2 (tim2), par domain protein 1 (pdp1), vrille (vri) e clockwork orange (cwo) durante todo o desenvolvimento de abelhas operárias de Apis mellifera. Verificamos que os genes do relógio são expressos antes mesmo da formação do sistema nervoso central no embrião e que seus transcritos podem ser herdados maternalmente. No desenvolvimento de larvas e pupas, revelamos que estes genes são diferencialmente expressos entre as fases investigadas e, com exceção dos genes cwo e tim2, todos respondem ao tratamento com o Hormônio Juvenil (HJ) na fase de pupa de olho branco. A resposta positiva dos genes clk, cyc e pdp1 frente ao tratamento hormonal pode estar relacionada com o envolvimento destes nas vias que respondem à sinalização do HJ, interagindo com os genes Kruppel (Kr-h1) e Methoprene-tolerant (MET). No desenvolvimento adulto, vimos que os genes per e cry-m são potenciais marcadores da plasticidade comportamental e divisão social do trabalho. Em um experimento usando single-cohort colony, estes genes apresentam níveis transcricionais que não oscilam em cabeças de operárias jovens (3 e 7 dias) ao longo de 24 horas, comparado aos níveis de expressão que oscilam de forma robusta em abelhas mais velhas (15 e 25 dias). Ainda, reconstruímos redes de interação proteína-proteína e miRNA-mRNA onde foram identificadas potenciais moléculas que atuam modulando os genes do relógio em nível póstranscricional e traducional. Dentre elas, validamos as interações entre os miRNA-34 e seus sítios de ligação que estão presentes nas 3`UTRS dos genes cyc e cwo, através do ensaio por luciferase, revelando que este miRNA é um regulador negativo da expressão desses genes. Pela primeira vez, realizamos uma análise ampla dos genes do relógio em um inseto social, além de identificar novas moléculas que podem atuar modulando os ritmos circadianos. Nosso trabalho demonstra a importâcia das abelhas sociais como modelos ideais para desvendar os mecanismos moleculares que regem os ritmos circadianos não só em abelhas, como também em outros organismos, inclusive mamíferos. === The circadian clock is an advantageous adaptive system that enables organisms to anticipate and syncronize their biological activities during the daily environmental changes. The circadian clock acts through the ontogeny of circadian rhythms, which are generated by the cyclic expression of the clock genes in an autregulatory feedback loop. In insects, the circadian rhythms have important roles in the coordination of the developmental timing and behavior, interacting with the endocrine system. In the last years, researchers revealed that the molecular clock of social insects is more similar to mammals than to insects. In particular, the social honeybee is an excellent model to investigate how the circadian rhythms are modulated accordingly to the social context, behavioral plasticity, and taskrelated activities. While young bees (nurses) work arrhythmically around the clock inside the colony in brood-care activities, old bees (foragers) need to be strongly rhythmic to develop complex tasks. In this work, we characterized the expression patterns of the clock genes period (per), cryptochrome mammalian-like (cry-m), clock (clk), cycle (cyc), timeout 2 (tim2), par domain protein 1 (pdp1), vrille (vri) e clockwork orange (cwo) in the entire development of Apis mellifera. Our results revealed that the clock genes are expressed before the formation of the central nervous system in embryos and that their transcripts might be inherited maternally. The clock genes are diferentially modulated during the larval and pupal development and, except for tim2 and cwo, all of them respond to the treatment with Juvenile Hormone (JH) in white-eyed pupae. The positive response to JH by clk, cyc and pdp1 might be related to the involvement of these genes on the pathways of the JH signaling, interacting with Kruppel (Kr-h1) and Methoprene-tolerant (MET) genes. In the adult development, the clock genes per and cry-m are potential molecular markers of the behavioral plasticity and division of labor in a single-cohort colony, once they did not exhibit transcriptional oscillations in heads of young bees (3 and 7 days-old) during 24h, compared to the robust transcriptional oscillation in old bees (15 and 25 days-old). Additionally, we reconstructed protein-protein and miRNA-mRNA interaction networks and identified putative molecules involved in the post-transcriptional and translational regulation of the clock genes. Among those molecules, we validated interactions between the miR-34 and its binding sites in the 3`UTR of cyc and cwo by luciferase assay, showing that this miRNA is a negative regulator of both clock genes. We showed for the first time a broad analysis of the circadian clock elements in a social insect, and also identified news molecules with potential to act as modulators of the circadian rhythms. This work expands the knowledge about the biological roles of the circadian clock in honeybees. Our work also contributes to highlight the importance of honeybees as an ideal model to uncover the molecular mechanisms that govern the circadian rhythms, not only in bees, but in other organisms, including mammals.