Untersuchung der gezielten Übernahme von Zombiefliegen durch Puppenspielerpilze

In einer neuen Studie veröffentlicht in eLifeHauptautorin Carolyn Elya, Postdoktorandin in der Abteilung für Organismische und Evolutionsbiologie in Harvard, enthüllt die molekularen und zellulären Grundlagen hinter der Fähigkeit des parasitären Pilzes Entomophthora muscae (E. muscae), das Verhalten von Fruchtfliegen zu manipulieren.

Elya beschrieb das manipulierte Verhalten, Summiting genannt, erstmals in einem lernen veröffentlicht in eLife im Jahr 2018. Elya, die während ihres Doktorandenstudiums an der University of California (UC) Berkeley Mikroben untersuchte, die von Fruchtfliegen übertragen wurden, machte sich daran, verrottendes Obst auszusuchen, um wilde Fruchtfliegen zu fangen.

Als sie später überprüfte, ob sie welche gefangen hatte, fand sie stattdessen Zombiefliegen mit einem Streifenmuster auf ihrem Bauch, die in einer interessanten Pose gestorben waren. Durch Extraktion und Sequenzierung der DNA bestätigte Elya die vermutete Ursache, E. muscae.

Der Gipfel erreicht bei Sonnenuntergang, wenn die infizierten Fliegen an einen erhöhten Ort klettern und ihren Rüssel an die Oberfläche strecken. Ein klebriger Tropfen, der aus dem Rüssel austritt, klebt die Fliege an der Oberfläche fest, kurz bevor sich die Flügel vom Körper abheben und die Fliege stirbt.

„Das Klettern ist sehr wichtig, da es die Fliege an einem günstigen Ort positioniert, an dem sich der Pilz auf möglichst viele Wirte ausbreiten kann“, sagt Elya. „Der Pilz springt zum neuen Wirt, indem er sehr spezielle und temporäre Strukturen bildet, die durch die Haut der Fliege dringen und Sporen in die Umgebung abgeben, die nur für ein paar Stunden nützlich sind. Es ist ein flüchtiger Prozess, daher ist eine vorteilhafte Position alles für das Überleben.“ .“

Während ihres Studiums an der UC Berkeley entwickelte Elya ein Labormodell, das sie als „Zombiefliegensystem“ aus Entomophthora muscae und Drosophila melanogaster bezeichnet. Dabei verwendete sie das wilde Pilzisolat, das sie in ihrem Hinterhof gefunden hatte. Mit diesem System konnte Elya kontinuierlich Fruchtfliegen infizieren – ein Grundnahrungsmittel im Labor – und den Pilz unabhängig vom Fliegenwirt in Medien kultivieren, von denen angenommen wurde, dass sie die innere Umgebung der Fliege nachahmen.

In der wissenschaftlichen Literatur tauchte das Thema „Sumping“ schon mehrfach auf, die Studien befassten sich jedoch nur mit der Beobachtung toter Stubenfliegen. Niemand hatte jemals beobachtet, wie sich Fliegen in ihren letzten Lebensstunden verhalten. Elya wollte diese Wissenslücke darüber schließen, was passiert, wenn Fliegen einen Gipfel erreichen, indem sie einen Hochdurchsatz-Verhaltenstest entwickelte, um Hunderte infizierter Fliegen automatisch zu verfolgen. Als sie diese Plattform nutzte, um das Verhalten von Fliegen zu beobachten, die zu Zombies wurden, erlebte sie eine Überraschung.

„Wir haben herausgefunden, dass es beim Gipfeltreffen nicht ums Klettern geht“, sagte Elya, „es ist tatsächlich dieser Ausbruch der Bewegungsaktivität, der etwa zweieinhalb Stunden vor dem Tod der Fliegen einsetzt.“

Mit dieser Entdeckung kombinierten Elya und Co-Autoren ihr System, um nach Bedarf Zombiefliegen mit dem leistungsstarken genetischen Toolkit des Labors für Fruchtfliegen zu erzeugen. Mit diesen und dem neuen Verhaltenstest des Autors konnten sie Gene und Neuronen identifizieren, die für Fliegen zum Gipfel erforderlich sind.

„Insgesamt stellten wir fest, dass die hormonellen Achsen der Fliegen das Gipfelverhalten beeinflussen. Als wir diese Neuronen zum Schweigen brachten, waren die Fliegen beim Gipfeltreffen wirklich schlecht“, sagt Elya. Diese Neuronen senden Projektionen an ein neurohämisches Organ, das Juvenilhormon produziert, ein in Insekten konserviertes Hormon. „Wir glauben, dass der Pilz tatsächlich die Aktivität dieser Neuronen antreibt, um die Freisetzung dieses Hormons voranzutreiben, was dazu führt, dass die Fliegen diesen Bewegungsschub erleben.“

Elya und Co-Autoren konnten dann einen Verhaltensdatensatz aus Hunderten infizierter Fliegen sammeln, mit dem sie dann einen Computer trainierten, Fliegen beim Gipfelsturm zu identifizieren. Mit diesem Klassifizierungstool konnte das Team entdecken, dass Pilzzellen auf organisierte Weise in das Gehirn der Fliege eindringen und beim Gipfeltreffen bestimmte Gehirnregionen besetzen.

Interessanterweise entdeckte das Team auch, dass die Blut-Hirn-Schranke der Fliege beeinträchtigt wird, wenn sie dem Pilz ausgesetzt wird. Normalerweise sind die Neuronen vor dem Blut geschützt, das durch den Körper der Fliege zirkuliert. Der Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke hat wichtige Konsequenzen für die Belastung der Neuronen und ermöglicht möglicherweise die Interaktion von Dingen, die im Blut zirkulieren, mit Neuronen im Gehirn, wodurch ein Weg zur Modulation der neuronalen Aktivität geschaffen wird.

„Wir glauben, dass dies wichtig für die Art und Weise sein könnte, wie der Pilz Verhaltensänderungen hervorruft“, sagte Elya, „und wir haben tatsächlich herausgefunden, dass man Fliegen, die das Gipfelverhalten zeigen, Blut entnehmen, es in naive Fliegen stecken und einige davon austreiben kann.“ Diese erhöhte Fortbewegung. Wir haben also gezeigt, dass es zumindest teilweise die Fähigkeit gibt, dieses Gipfelverhalten einfach durch die Übertragung von Fliegenblut zu rekapitulieren.“

Elya sagt, dass diese Experimente zeigen, dass einige durch Blut übertragene Faktoren das Gipfelverhalten beeinflussen können, obwohl noch nicht klar ist, welche Identität diese Faktoren haben oder wer sie produziert (der Pilz oder die Fliege).

Elya hofft, als nächstes Transgene zu entwickeln, um zusätzlich zu den Störungen, die bereits bei den Fliegen auftreten können, Dinge von der Seite des Pilzes aus zu modulieren. „Hier gibt es noch viele offene Fragen“, sagt sie, „was der Pilz macht, ist noch ein Rätsel.“