Drosophila Plasmatocytes Regulate Metabolism and The Crystal Cell Differentiation through Gustatory Receptors

Abstract

Drosophila melanogaster has been studied for over one century in biology as a model organism. This is especially feasible because of its advantages with various genetic tools. In addition to the other subjects in biology, flies have been used for research in immunity and development. As a part of their innate immunity, flies have three different types of blood cells: plasmatocytes, crystal cells, and lamellocytes. These blood cells have separated functions for immune response to external environments or pathogens. Furthermore, recent studies have confirmed that hemocytes are also involved in systemic metabolism to regulate growth or storage nutrients. For the detection of nutrients, Drosophila larvae uses external sensory organs. Drosophila chemosensory receptors are expressed in sensory organs to detect taste or odorants. These receptors play roles in determining behavioral decisions based upon sensing external chemicals, providing firm grounds for their conserved functions, and underlying neuronal circuits. However, functions or mechanisms underlying the chemosensory receptors in non-neuronal tissues such as hemocytes are not well identified. In this study, I investigated on two main topics. First, I validated the heterogeneity of plasmatocytes, which are mainly segregated by Hemolectin, (Hml) and peroxidasin (Pxn). This finding is in accordance with previous single-cell RNA sequencing analysis and I Also identified that the population ratio is affected by food context or expressions of apoptotic genes. The changes in the population ratio induces a systemic metabolic response; for instance, an increase in the hemolymph glucose, accumulation of lipid in the fat body, and retention of insulin in the brain IPCs. Thus, these findings imply that Drosophila blood cells regulate metabolism through reserving constant plasmatocytes populations and interacting with peripheral organs. Second, I observed that gustatory receptors are expressed in the lymph gland and circulating or sessile hemocytes, and they functions as a regulators for crystal cell differentiation and metabolism in Drosophila larvae. When the expression of gustatory receptor is inhibited in hemocytes, 1) the crystal cell differentiation is induced in the lymph gland, and 2) internal sugar levels are increased, 3) metabolic regulatory genes are up-regulated, and 4) hyperinsulinemia is induced. Overall, these results suggests that chemosensory gustatory receptors in plasmatocytes regulate the constant number of crystal cells in the lymph gland via Notch singling and sugar homeostasis by adjusting the release of Drosophila insulin-like peptide.|초파리는 발생 단계에 따라 두가지 혈구 세포 분화를 겪는다. 첫번째 혈구 세포의 분화는 배아 시기에 일어나며, 두번째 혈구 세포의 분화는 림프글랜드로 불리는 초파리 유충의 조혈모 기관에서 이루어 진다. 분화된 혈구 세포들은 플라즈마 세포와 일부 크리스탈 세포로 명명된다. 혈구 세포의 분화는 다양하게 조절 될 수 있는데, 그 예로 외부 신호와 배양되는 섭식 조건이 있다. 더 나아가 혈구 세포는 다른 기관과의 상호 작용을 통해 시스템적인 체내 대사 조절에 관여 하는 것 또한 보고 되었다. 본 논문에서 나는 혈구 세포의 새로운 기능을 체내 대사 조절에 초점을 맞추어 연구하였고, 그 결과 플라즈마 세포 내의 맛 감지 수용체 활성이 체내 대사 조절 및 혈구 세포 분화를 조절한다는 것을 알게 되었다. 먼저, 초파리 대식 세포의 유전학 툴을 사용해 분화된 혈구 세포소집단의 새로운 기능에 대해 연구하였다. 헤몰렉틴을 발현하는 혈구 세포를 세포 사멸 유전자의 과발현을 통해 저해한 경우, 전체 혈구 세포의 수가 증가하고 증가한 세포들은 페록시다신 양성 세포임을 알 수 있다. 사이토카인 발현이 혈구세포에서 증가하면, 지방 세포는 증가된 사이토카인 발현에 따라 JAK/STAT 신호전달을 활성화 시킴을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 감소된 헤몰렉틴 혈구 세포들은 뇌에서 인슐린 분비를 저해함으로써 체내 혈당 농도를 상승시키고 지방세포에 지방 축적을 저해하는 결과를 초래한다. 따라서 초파리 혈구 세포는 다른 기관의 조절을 통해 체내 대사를 유지하는 기능이 있음을 새롭게 알 수 있다. 두번째로 혈구 세포에서 맛 감지 수용체 43a의 활성을 통한 혈액 내 당 항상성 조절 및 체내 대사 조절을 연구하였다. 대식 세포에서 발현하는 맛 감지 수용체 43a는 체액 과당을 감지하여 하위 칼슘 신호의 활성을 통해 포도당 수송체의 기능을 조절하고, 세포 내 과당/포도당의 수준을 유지하는데 기능을 가진다. 그리고 이러한 세포내 당 전달은 인슐린 비의존적이며, 초파리 혈구 세포의 과당 감지 수용체의 발현은 혈당 항상성 유지에 필요하며 유지되는 혈당은 뇌와 지방 세포에 각각 다른 역할을 함으로써 전체적인 대사 조절을 일으키는 것을 확인 할 수 있다. 세번째로, 초파리 조혈모 기관에서 맛 감지 수용체 66a와 맛 감지 수용체 43a의 발현은 크리스탈 세포의 수의 조절과 분화에 필요하다는 것을 확인하였다. 맛 감지 수용체들에 의한 크리스탈 세포의 분화는 Notch 수용체 도메인의 발현을 증가 시킴으로써 일어나는 것을 확인 하였다. 그러므로 플라스마 세포에서 맛 감지 수용체는 하위 Notch 수용체 도메인의 활성을 조절함으로써 크리스탈 세포로 분화를 억제하는 새로운 분화 조절의 메커니즘을 제시한다. 위의 연구들을 종합할 때, 본 논문은 초파리의 맛 감지 수용체들의 비신경성 세포에서 발현이 기존에 알려진 행동 조절에 관여하는 것이 아니라 새로운 기능을 가지는 것을 제시한다. 특정 맛 감지 수용체의 활성을 통해 혈구 세포의 분화가 조절됨을 새롭게 알 수 있고, 초파리의 혈구 세포는 면역 기능 외에도 다른 기관들과 상호작용을 통하여 체액내 대사 물질 항상성을 유지하는 조절자로써 기능을 가지는 것을 알 수 있다.