The Allatoregulatory Neuropeptides and their Genes in the fall armyworm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae)

Die allatoregulierenden Neuropeptide und ihre Gene beim Heerwurm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae)

The genes encoding the S. frugiperda allatotropin (Spofr-AT), allatostatin (Spofr-AST), allatostatin type-A (Spofr-AST A) peptide family and allatotropin 2 (Spofr-AT 2) peptides were isolated from S. frugiperda brain cDNA. The Spofr-AT gene is expressed in three mRNA isoforms with 134, 171, and 200 amino acids, respectively, differing from each other by alternative splicing. The Spofr-AST cDNA encodes 125 amino acid residues including one copy of the Manse-AST mature peptide (type-C allatostatinThe genes encoding the S. frugiperda allatotropin (Spofr-AT), allatostatin (Spofr-AST), allatostatin type-A (Spofr-AST A) peptide family and allatotropin 2 (Spofr-AT 2) peptides were isolated from S. frugiperda brain cDNA. The Spofr-AT gene is expressed in three mRNA isoforms with 134, 171, and 200 amino acids, respectively, differing from each other by alternative splicing. The Spofr-AST cDNA encodes 125 amino acid residues including one copy of the Manse-AST mature peptide (type-C allatostatin). The deduced precursor sequence of Spofr-AST A gene contains 231 amino acids and allowed unambiguous identification of nine (or ten) peptides of YFXFGL-a peptide family, which are tandemly arranged in three blocks. A cDNA that encodes 53 amino acids was cloned from S. frugiperda brain cDNA, including one copy of a non-amidated decapeptide (Arg-Val-Arg-Gly-Asn-Pro-Ile-Ser-Cys-Phe-OH). This peptide strongly stimulates the synthesis and release of juvenile hormone (JH) in vitro by the corpora allata (CA) of S. frugiperda adult females and was code-named Spofr-AT 2. The primary structure of Spofr-AT 2 is identical at its C-terminus (-NPISCF) with the M. sexta type-C allatostatin (Manse-AST). One-step RT-PCR for semi-quantification of the gene expression, it is demonstrated that both genes (Spofr-AT and Spofr-AST) are expressed in brain, digestive tract, and reproductive organs of larvae, pupae, and adults of S. frugiperda in a time-, tissue-, and sex specific manner. The tissue-specific localization of the prohormone expression, as demonstrated by whole-mount in situ hybridization, confirms the overall tissue distribution of the prohormones as shown by RT-PCR and supports the pleiotropic functions of the peptides. Spofr-AST type-A gene is expressed in the brain, midgut, and reproductive organs of S. frugiperda larvae and adults in a time- and tissue-specific manner. Data confirm the nature of the allatostatin type-A peptides as brain/gut myoregulatory hormones. Northern blotting and RT-PCR analyses revealed that the Spofr-AT 2 gene is expressed as one transcript in the brain, midgut, and ovary in a tissue- and developmental-specific manner. Treating the CA with the synthetic peptide caused an up to tenfold increase in the release of JH. The stimulation of JH release was dose-dependent with an apparent EC50 of ca. 10-7 M. CA that were activated with Spofr-AT 2 could be inhibited by the addition of synthetic Manse-AST. In conclusion, the presented date strengthen the hypothesis that “allatoregulating” neuropeptides are diverse in structure, widely distributed and exhibit multiple functions. The functions may be tissue-specific as well as specific to particular developmental stages of insects. Knowledge of the various peptide precursor sequences has opened the way for synthesis of these peptides for detailed physiological and functional studies. Further quantitative experiments formulated in context of the life history of the animals will certainly yield a more detailed understanding of the mode of action of these peptides in S. frugiperda. Other major challenges in the future will be to clone the receptors for these peptides and to study the receptor distribution in the fall armyworm.show moreshow less
Die zwei Gene, die für die Präprohormone des S. frugiperda Allatotropin und des S. frugiperda Allatostatin (Spofr-AT und Spofr-AST) kodieren wurden kloniert. Das Spofr-AT Gen wurde in drei mRNA Isoformen mit 134, 171 und 200 Aminosäuren exprimiert, die sich durch alternatives Splicing voneinander unterscheiden. Die Spofr-AST cDNA kodiert für eine Folge von 125 Aminosäuren, die eine Kopie des Manse-AST Neuropeptids (C-Typ Allatostatin) einschließt. Aus der cDNA von S. frugiperda wurde ein Gen isoDie zwei Gene, die für die Präprohormone des S. frugiperda Allatotropin und des S. frugiperda Allatostatin (Spofr-AT und Spofr-AST) kodieren wurden kloniert. Das Spofr-AT Gen wurde in drei mRNA Isoformen mit 134, 171 und 200 Aminosäuren exprimiert, die sich durch alternatives Splicing voneinander unterscheiden. Die Spofr-AST cDNA kodiert für eine Folge von 125 Aminosäuren, die eine Kopie des Manse-AST Neuropeptids (C-Typ Allatostatin) einschließt. Aus der cDNA von S. frugiperda wurde ein Gen isoliert das für die Familie der Allatostatin Typ-A Neuropeptide (Spofr-AST A) kodiert. Die abgeleitete Precursorsequenz enthält 231 Aminosäuren und ermöglichte die Identifizierung von 9 bzw. 10 Allatostatin Typ-A Peptiden, die in drei Blöcken zusammengefasst sind. Aus der cDNA von S. frugiperda wurde ein weiteres Gen isoliert, das eine Kopie eines nicht-amidierten Decapeptids (Arg-Val-Arg-Gly-Asn-Pro-Ile-Ser-Cys-Phe-OH) enthält. Dieses Peptid stimuliert die Biosynthese und Freisetzung von Juvenilhormon (JH) in vitro aus den Corpora allata adulten Weibchen von S. frugiperda und wurde als Spofr-AT 2 bezeichnet. Die Primärstruktur des Spofr-AT 2 ist am C-Terminus (-NPISCF) identisch mit jener des C-Typ Allatostatins aus M. sexta (Manse-AST). RT-PCR zur Semiquantifizierung der Genexpression konnte zeigen, dass beide Gene (Spofr-AT und Spofr-AST) im Gehirn, Verdauungstrakt und in den Fortpflanzungsorganen von Larven, Puppen und adulten Tieren in einer zeit-, gewebe- und geschlechtsspezifischen Weise exprimiert werden. Die gewebsspezifische Lokalisation der Prohormonexpression mittels Ganzgewebe in situ-Hybridisierung bestätigte die durch RT-PCR gezeigte Verbreitung der Prohormone in den Geweben und unterstützt die Annahme, dass die Peptide pleiotrope Funktionen aufweisen. Das Spofr-AST Typ-A Gen wird im Gehirn, Mitteldarm und den Reproduktionsorganen von larvalen und adulten S. frugiperda zeit- und gewebespezifisch exprimiert. Die Ergebnisse bestätigen die Funktion der Allatostatin Typ-A Neuropeptide als myoregulatorisch aktive Hormone im Gehirn und Mitteldarm. Northern Blot und RT-PCR Analysen ergaben, dass das Spofr-AT 2 als ein Transkript im Gehirn, Mitteldarm und in den Ovarien in einer gewebs- und entwicklungsspezifischen Weise exprimiert wird. Wurden die CA adulten Weibchen mit dem synthetischen Peptid behandelt, so stieg die JH-Biosynthese bis zum zehnfachen des Ausgangswertes an. Die Stimulierung der JH-Biosynthese verläuft dosisanhängig mit einem apparenten EC50-Wert von ca. 10-7 M. Corpora allata, die mit Spofr-AT 2 aktiviert worden waren, konnten durch Zugabe von synthetischem Manse-AST gehemmt werden. Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass „allatoregulierende“ Neuropeptide in ihrer Struktur sehr vielseitig sind, weit verbreitet, gefunden werden und vielfältige Funktionen aufweisen. Die Funktionen sind vermutlich gewebs- und entwicklungsspezifisch unterschiedlich. Die Kenntnis der Peptidhormonstrukturen ermöglicht die Verwendung von synthetischen Peptiden bei weiteren Untersuchungen zu ihrer Physiologie bzw. Funktion. Weitere quantitative Experimente sollten unter Berücksichtigung der biologischen Lebensweise der Tiere durchgeführt werden und werden sicher genauere Erkenntnisse zur Wirkungsweise der Peptide bei S. frugiperda erbringen. Ein weiteres Ziel ist die Klonierung der Rezeptoren für diese Hormone sowie Studien zur Verteilung der Rezeptoren beim Heerwurm.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Mohatmed Abdel-latief
Advisor:Prof. Dr. Klaus Hubert Hoffmann
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:30.06.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Allatostatine; Molekülstruktur; Spodoptera frugiperda
Tag:Allatoregulierende Neuropeptide; Allatotropine; Molekularcharakterisierung
Allatoregulatory neuropeptides; Allatostatins; Allatotropins; Molecular characterization; Spodoptera frugiperda
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:WD 4150
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1116
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):18.08.2004