Cytochrome P450 Genes of the CYP4 Clan and Pyrethroid Resistance in Chagas Disease Vectors

Triatomine insects are vectors of the protozoan Trypanosoma cruzi, the causative agent of Chagas disease. Although residual pyrethroid spraying has been a successful vector control strategy for many years, a growing number of pyrethroid-resistance foci is being documented, mainly in Triatoma infestans, that led to failures in vector elimination. Insecticide resistance is a multifactorial phenomenon that often implies a combination of three different mechanisms: increased insecticide detoxification, reduced affinity of the site of action, and reduced insecticide penetration through the cuticle. All three mechanisms were reported in pyrethroid-resistant T. infestans. Cytochrome P450s are enzymes involved in the metabolism of xenobiotics and endogenous chemicals. They are encoded by CYP genes and classified into different families and clans. In triatomines, the CYP4 clan is divided in two families, CYP3093 and CYP4, and both exhibit genome-wide, triatomine-specific gene expansions. Some members from each family have been reported to be involved in two of the mechanisms mentioned above, i.e., they participate in insecticide detoxification in different organs and tissues, and in the synthesis of cuticular hydrocarbons, which ultimately can contribute to a reduced insecticide penetration. The aim of this manuscript is to review the current state of knowledge of P450 genes belonging to the CYP4 clan in triatomines and to highlight their potential role in insecticide resistance.Fil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Pedrini, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Calderón Fernández, Gustavo Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; Argentin

Rol de la cutícula en la resistencia a insecticidas y en la comunicación química de insectos vectores de la Enfermedad de Chagas

La enfermedad de Chagas es una enfermedad parasitaria sistémica causada por el protozoo flagelado Tripanosoma cruzi, considerada una de las endemias mas esparcidas de América Latina. La transmisión vectorial representa la forma de contagio más frecuente de Chagas, siendo Triatoma infestans el principal vector de la enfermedad en el Cono Sur de Sudamérica. Su control se basa en el rociado con insecticidas piretroides (principalmente deltametrina); sin embargo, desde hace varios años se vienen detectando fallas de control debido al desarrollo de poblaciones resistentes. La resistencia a insecticidas es un fenómeno multifactorial, que involucra varios mecanismos, entre ellos: resistencia metabólica por un aumento en la capacidad de metabolizar el insecticida, resistencia por modificación del sitio de acción que reduce la sensibilidad del insecticida y el factor cuticular, que implica una disminución en la penetración a través de la cutícula. El integumento, formado por la cutícula y la epidermis subyacente, es un tejido clave en contribuir al éxito evolutivo de los insectos y en su adaptación a ambientes muy diversos. Los lípidos de la superficie cuticular comprenden una mezcla compleja de compuestos carbonados de largas y muy largas cadenas, donde predominan hidrocarburos, ceras, alcoholes grasos, ácidos grasos y otros compuestos oxigenados de elevado peso molecular. Estos lípidos son esenciales en la fisiología de los insectos ya que evitan la pérdida de agua por evaporación, actúan en comunicación química como feromonas de contacto y regulan la penetración de insecticidas y microorganismos. El objetivo de este trabajo fue avanzar en el conocimiento de aspectos bioquímicos y moleculares del integumento y los lípidos cuticulares involucrados en la resistencia a insecticidas y en la comunicación química en triatominos. Estos conocimientos contribuyen no sólo a dilucidar los mecanismos y regulación de su formación, sino también en el mediano plazo, al diseño de estrategias que permitan tanto interferir en la formación de esta cubierta protectora o utilizarlo para el control de insectos plaga o de interés sanitario.Se lograron cuantificar las feromonas de contacto sexual C20-ol y C22-ol presentes en la epicutícula de hembras de T. infestans, que tienen un importante rol en la eficiencia reproductiva de la especie. A su vez, se comenzó con el estudio de genes codificantes de acil-CoA reductasas, enzimas involucradas en la síntesis de alcoholes grasos, y se evidenció la sobreexpresión de dos de ellos en el integumento de hembras, lo que sugiere su posible participación en la síntesis de estas feromonas. Mediante el análisis cuali-cuantitativos de lípidos cuticulares de insectos T. infestans de poblaciones resistente y susceptible a deltametrina, se logró concluir que los hidrocarburos son los principales responsables del componente lipídico del factor cuticular de la resistencia. Se caracterizaron molecular y funcionalmente los genes CYP4G, y se demostró que intervienen en la síntesis de los hidrocarburos con un rol diferenciado en función de la presencia o ausencia de ramificaciones en la cadena carbonada.Se evaluó la vía de transporte de deltametrina en la hemolinfa de insectos resistentes y susceptibles, y se determinó que la misma es ligada por principalmente por lipoforina y en menor medida por lipoproteína de muy alta densidad I. La cantidad transportada por las proteínas de hemolinfa no está relacionada con la susceptibilidad al insecticida. Se identificaron y clasificaron genes putativamente involucrados en la detoxificación de deltametrina en el integumento de T. infestans, y se demostró por primera vez que 5 genes pertenecientes al clan 4 de las citocromo P450 se encuentran sobreexpresados específicamente en el integumento de insectos resistentes. Esta información aporta nuevas evidencias sobre el rol del integumento en el fenómeno de resistencia: además de participar como barrera física con mayores cantidades de HC cuticulares, también contribuye en la detoxificación de insecticidas. Se incorpora un nuevo rol al factor cuticular: resistencia metabólica en la superficie.Fil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; Argentin

Knockdown of CYP4PR1, a cytochrome P450 gene highly expressed in the integument tissue of Triatoma infestans, increases susceptibility to deltamethrin in pyrethroid-resistant insects

Metabolic resistance to chemical insecticides implies a greater capacity to detoxify insecticides due to an increase in the expression of genes and/or in the activity of enzymes related to detoxification metabolism. The insect integument is known to participate as the cuticular penetration factor of resistance, but recently this tissue was also linked with metabolic resistance due to P450-dependent detoxification in the Chagas disease vector Triatoma infestans. The objectives of this study were i) to name and classify all P450s known to date in T. infestans, ii) to characterise one of them, CYP4PR1, representing the first member of a new cytochrome P450 subfamily described in insects, and iii) to investigate the potential role of CYP4PR1 in metabolic resistance to deltamethrin in T. infestans. We found that CYP4PR1 is expressed almost exclusively in the integument tissue, and its expression was not induced by deltamethrin. Knockdown of CYP4PR1 by RNA interference in pyrethroid-resistant nymphs caused a significant increment in insect mortality after topical application of two different doses of deltamethrin. These results support the role of the integument on metabolic resistance and suggest that CYP4PR1 might contribute to resistance in integument tissue of T. infestans.Fil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Moriconi, Debora Elizabeth. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Pedrini, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; Argentin

Deltamethrin Binding to Triatoma infestans (Hemiptera: Reduviidae) Lipoproteins. Analysis by Solvent Bar Microextraction Coupled to Gas Chromatography

The binding of deltamethrin (DLM) to the hemipteran Triatoma infestans (Klug) hemolymph lipoproteins was evaluated in vitro. After DLM incubation with the insect hemolymph, lipoproteins were fractioned by ultracentrifugation. DLM binding was analyzed by a microextractive technique—solvent bar microextraction—a solventless methodology to extract DLM from each lipoprotein fraction. This is a novel use of the technique applied to extract an insecticide from an insect fluid. Capillary gas chromatography with microelectron capture detection was used to detect DLM bound by the T. infestans hemolymph lipoproteins and to identify the preferred DLM carrier. We show that Lp and VHDLp I lipoproteins are mainly responsible for DLM transport in T. infestans, both in DLM-resistant and DLM-susceptible bugs. Our results also indicate that DLM amounts transported are not related to DLM susceptibility.Fil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Mijailovsky, Sergio Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Girotti, Juan Roberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Juarez, Marta Patricia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; Argentin

Transcriptome Analysis of the Triatoma infestans (Hemiptera: Reduviidae) Integument

The insect integument, formed by the cuticle and the underlying epidermis, is essential for insect fitness, regulation of lipid biosynthesis and storage, insect growth and feeding, together with development progress. Its participation in insecticide resistance has also been outlined. Triatoma infestans Klug is one of the major vectors of Chagas disease in South America; however, genomic data is scarce. In this study, we performed a transcriptome analysis of the nymph integument in order to identify which genes are expressed and their putative role. Using the 454 GS-FLX sequencing platform, we obtained approximately 144620 reads from the integument tissue. These reads were assembled into 6495 isotigs and 8504 singletons. Based on BLAST similarity searches, about 8000 transcripts were annotated with known genes, conserved domains, and/or Gene Ontology (GO) terms. The most abundant transcripts corresponded to transcription factors and nucleic acid metabolism, membrane receptors, cell signaling, and proteins related to cytoskeleton, transport and cell energy processes, among others. More than 10% of the transcripts encoded proteins putatively involved in the metabolism of fatty acids and related components (fatty acid synthases, elongases, desaturases, fatty alcohol reductases), structural integument proteins, and the insecticide detoxification system (among them, cytochrome P450s, esterases and glutathione transferases). Real time qPCR assays were used to investigate their putative participation in the resistance mechanism. This preliminary study is the first transcriptome analysis of a triatomine integument, and together with prior biochemical information, will help further understand the role of the integument in a wide array of mechanismsFil: Calderón Fernández, Gustavo Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Moriconi, Debora Elizabeth. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; ArgentinaFil: Juarez, Marta Patricia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata ; Argentin

Integument CYP genes of the largest genome-wide cytochrome P450 expansions in triatomines participate in detoxification in deltamethrin-resistant Triatoma infestans

Insect resistance to chemical insecticides is attributed to a combination of different mechanisms, such as metabolic resistance, knockdown resistance, and the cuticular resistance or penetration factor. The insect integument offers an efficient barrier against contact insecticides and its role as penetration factor has been previously reported; however, there is no information about its potential function in the metabolic resistance. Cytochrome P450 genes (CYP) are highly expressed in the fat body of several insects and thus play a key role in their metabolic resistance. Here, we describe new members that belong to the highly genome-wide expanded CYP3093A and CYP4EM subfamilies in the Chagas disease vectors Rhodnius prolixus and Triatoma infestans. We modeled the docking of deltamethrin in their active site and detected differences in some amino acids between both species that are critical for a correct interaction with the substrate. We also knocked down the two constitutively most expressed genes in the integument of resistant T. infestans nymphs (CYP3093A11 and CYP4EM10) in order to find clues on their participation in deltamethrin resistance. This is the first report on the role of the insect integument in detoxification events; although these two CYP genes do not fully explain the resistance observed in T. infestans.Fil: Dulbecco, Andrea Belen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Moriconi, Debora Elizabeth. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Calderón Fernández, Gustavo Mario. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Lynn, María Soledad. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Mccarthy, Andrés Norman. Universidad Nacional de La Plata. Centro Regional de Estudios Genómicos; ArgentinaFil: Roca Acevedo, Gonzalo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. Centro de Investigación de Plagas e Insecticidas; ArgentinaFil: Salamanca Moreno, Jhon A.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Juarez, Marta Patricia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; ArgentinaFil: Pedrini, Nicolás. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner". Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Médicas. Instituto de Investigaciones Bioquímicas de La Plata "Prof. Dr. Rodolfo R. Brenner"; Argentin