Peptidergic control of dormancy in Drosophila melanogaster

Organisms, especially those living in temperate zones, are constantly exposed to the cyclical changes of environmental factors due to the alternating seasons. In order to increase their chances of survival, they evolved different adaptive mechanisms to withstand the stress of harsh periods. Among insects, diapause is the most commonly used strategy to achieve seasonal synchronization. Diapause is a neuro-hormonally regulated state of dormancy that enables insects to switch to an alternative developmental program when external conditions are not suitable for normal development. In the fruit fly, Drosophila melanogaster, diapause is characterized by the arrest of the ovarian development at previtellogenic stages. Insulin-like signaling has been identified as a key regulator of dormancy in many organisms. The insulin producing cells (IPCs), located in the Pars intercerebralis, are crucial neurosecretory cells that are neuroanatomically connected to the neuroendocrine center that governs hormonal regulation of diapause. They are responsible for the production and release of different insulin-like peptides that have been found to act as diapause-antagonist hormones. Here we found that two neuropeptides, pigment dispersing factor (PDF) and short neuropeptide F (sNPF), produced in a small subset of neurons (ventrolateral clock neurons, LNvs), modulate the diapause response of the flies, and this regulation is likely to exist via the IPCs. We discovered that an additional PDF-expressing neuron cluster in the tritocerebrum (PDF-Tri), previously shown to undergo apoptosis very early during adulthood, actually survives at cold temperatures and could be involved in cold-related functions. Interestingly, these PDF-Tri neurons were found to be synaptically connected to the IPCs in the cold. Expression of genetically encoded sensors for the second messenger cAMP revealed that, IPCs respond to both synthetic neuropeptides PDF and sNPF. Surprisingly, they react with large cAMP increases to the co-application of the two peptides, raising the possibility of a synergistic effect between sNPF and PDF in controlling IPC activity. Since the detected cAMP responses are all abolished in PDF receptor mutant background, they seem to be regulated by PDFR. The study of two differently diapausing field lines highlighted marked differences between their PDF expression patterns, possibly related to diapause regulation. When studying the general properties of D. melanogaster dormancy, we explored the relative relevance of some features of the experimental protocols used for diapause assays. While in the standard protocol flies are raised at temperatures in the range 23-25°C and exposed to diapause-inducing conditions starting from the adult stage, we investigated the effects of lower growing temperatures on diapause levels. We documented changes in diapause levels due to these altered settings, highlighting their importance in controlling dormancy. Additionally, adopting semi-natural light-dark profiles that better mimic outdoor conditions, strong photoperiodic diapause was observed, which was not detectable when simple rectangular light-dark regimes were used. Our findings should be considered in designing new protocols for diapause studies.  

Gli organismi, soprattutto quelli che vivono in zone temperate, sono costantemente esposti a variazioni cicliche di fattori ambientali a causa dell’alternarsi delle stagioni. Si sono evoluti diversi meccanismi di adattamento che permettono di resistere e superare i periodi sfavorevoli. Tra gli insetti, la diapausa è la più comune strategia usata per raggiungere la sincronizzazione stagionale. La diapausa è uno stato di dormienza, regolato a livello neurologico ed ormonale, che permette agli insetti di avviare un programma di sviluppo alternativo quando le condizioni ambientali non permettono un normale sviluppo. Nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster, la diapausa si manifesta con l’arresto dello sviluppo delle ovaie nella frase previtellogenica. Segnali di tipo insulin-like sono stati identificati come regolatori chiave della dormienza in molti organismi. Le insulin-producing cells (IPCs) si trovano nella Pars intercerebralis, sono neuroanatomicamente connessi al centro neuroendocrino che controlla la regolazione ormonale della diapausa. Queste cellule sono responsabili della produzione e del rilascio di differenti insulin-like peptides che sono stati identificati come ormoni antagonisti della diapausa. Abbiamo scoperto che due neuropeptidi, pigment dispersing factor (PDF) e short neuropeptide F (sNPF), prodotti da un piccolo gruppo di neuroni chiamati ventrolateral clock neurons, regolano il processo della diapausa nei moscerini attraverso le IPCs. Inoltre, abbiamo osservato che un altro gruppo di neuroni che producono PDF nel tritocerebrum (PDF-Tri) e che si ritenevano strutture rapidamente eliminate per apoptosi nell’adulto, in realtà sopravvivono e persistono nell’adulto a basse temperature, suggerendo quindi un loro coinvolgimento in funzioni correlate con la resistenza al freddo. L’espressione di sensori genetically-encoded per il secondo messaggero cAMP, ha rilevato che le IPCs reagiscono ad entrambi i neuropeptidi PDF e sNPF. Sorprendentemente reagiscono con grandi aumenti di cAMP alla somministrazione dei due peptidi, suggerendo un effetto sinergico tra sNPF e PDF nel controllo dell’attività delle IPCs. Dal momento che le risposte cAMP sono state abolite nel background mutante per il recettore PDF, sembrano essere regolate dallo stesso. Lo studio di due diverse linee che manifestano differenze nel comportamento relativo alla diapausa ha evidenziato differenze marcate nell’espressione di PDF, potenzialmente collegata della regolazione della diapausa. Studiando le proprietà generali della diapausa in D. melanogaster, abbiamo esplorato l’importanza relativa di alcuni aspetti dei protocolli sperimentali usati per i saggi di diapausa. Mentre nel protocollo originale i moscerini vengono fatti sviluppare a temperature comprese nel range 23-25oC e quindi esposti a condizioni che inducono la diapausa solo a partire dallo stadio adulto, noi abbiamo studiato gli effetti sui livelli di diapausa dello sviluppo a temperature inferiori. Abbiamo documentato cambiamenti nei livelli di diapausa indotti da queste modifiche, sottolineando la loro importanza nel controllo della dormienza. Inoltre, adottando profili di luce-buio seminaturali, che mimano meglio le condizioni esterne, è stata osservata una diapausa altamente regolata dal fotoperiodo. Una risposta fotoperiodica non era stata rilevata in studi precedenti nei quali venivano utilizzati regimi di luce-buio rettangolari. I nostri risultati suggeriscono l’opportunità di disegnare nuovi protocolli, più rappresentativi delle condizioni naturali, per lo studio delle basi genetiche e fisiologiche della diapausa.