カタツムリはTOR依存的にエンドサイクリングを同期させ、ショウジョウバエの臨界体重チェックポイントの間にエンドレプリーションの一時停止からの進入と脱出を調整している

Snail synchronizes endocycling in a TOR-dependent manner to coordinate entry and escape from endoreplication pausing during the Drosophila critical weight checkpoint.

• Jie Zeng
• Nhan Huynh
• Brian Phelps
• Kirst King-Jones

抄録

与えられた個体の最終的な体の大きさは、遺伝的制約と環境的制約の両方に基づいています。哺乳類も昆虫も、ターゲット・オブ・ラパマイシン（TOR）とインスリンのシグナル伝達経路を用いて、成長と栄養の調整を行っています。ホロメタボ性昆虫では、成長期間は、幼虫の摂食行動を終了させ、変態（幼虫の身体計画が成虫を生成するために改造されている間に非摂食段階である）を誘発するペプチドおよびステロイドホルモンのカスケードを介して終了します。臨界重量（CW）チェックポイントと呼ばれるこの不可逆的な決定は、幼虫が成虫に開発を完了し、生き残るために十分な栄養素を獲得していることを保証します。どのように昆虫がCWチェックポイントを介して体の大きさを評価するかは、分子レベルではまだ十分に理解されていません。我々は、ショウジョウバエの転写因子であるカタツムリがこの過程で重要な役割を果たしていることをここで明らかにした。スネイルの発現は、幼虫の前胸腺（PG）で高発現しています。その結果、2齢から3齢にかけての脱皮前と脱皮後の2つのピークが確認された。驚くべきことに、これらのカタツムリのピークは、PG細胞がS期に入る2つのピークと一致しており、その間にDNA合成が遅くなっていることがわかりました。興味深いことに、第二のカタツムリのピークは、CWチェックポイントの出口で発生します。その後、Snailのレベルは継続的に低下し、CWチェックポイント後のPGではエンドレプリケーションが非同期化される。このことは、Snailを介したPG細胞のS期への同期化が、CWチェックポイントを終了させるために使用される機構的なリンクを表していることを示唆している。実際、CWチェックポイントの前にPG特異的にスネイルの機能を喪失すると、PG細胞でのエンドレプリケーションの停止に起因する幼虫の停止を引き起こすが、CWチェックポイント後にスネイルを障害してもエンドレプリケーションとそれ以上の発達には影響を与えない。CWウィンドウの間、飢餓またはTORシグナリングの損失は、カタツムリのピークの形成とエンドサイクルの同期を混乱させたが、それ以降の飢餓はカタツムリの発現に影響を与えなかった。以上のことから、昆虫はTOR経路を利用して幼虫発生期の栄養状態を評価し、エンドレプリーションとCW達成を調整するエフェクタータンパク質としてエクジソン産生細胞内のカタツムリを制御していることが明らかになった。

The final body size of any given individual underlies both genetic and environmental constraints. Both mammals and insects use target of rapamycin (TOR) and insulin signaling pathways to coordinate growth with nutrition. In holometabolous insects, the growth period is terminated through a cascade of peptide and steroid hormones that end larval feeding behavior and trigger metamorphosis, a nonfeeding stage during which the larval body plan is remodeled to produce an adult. This irreversible decision, termed the critical weight (CW) checkpoint, ensures that larvae have acquired sufficient nutrients to complete and survive development to adulthood. How insects assess body size via the CW checkpoint is still poorly understood on the molecular level. We show here that the Drosophila transcription factor Snail plays a key role in this process. Before and during the CW checkpoint, snail is highly expressed in the larval prothoracic gland (PG), an endocrine tissue undergoing endoreplication and primarily dedicated to the production of the steroid hormone ecdysone. We observed two Snail peaks in the PG, one before and one after the molt from the second to the third instar. Remarkably, these Snail peaks coincide with two peaks of PG cells entering S phase and a slowing of DNA synthesis between the peaks. Interestingly, the second Snail peak occurs at the exit of the CW checkpoint. Snail levels then decline continuously, and endoreplication becomes nonsynchronized in the PG after the CW checkpoint. This suggests that the synchronization of PG cells into S phase via Snail represents the mechanistic link used to terminate the CW checkpoint. Indeed, PG-specific loss of snail function prior to the CW checkpoint causes larval arrest due to a cessation of endoreplication in PG cells, whereas impairing snail after the CW checkpoint no longer affected endoreplication and further development. During the CW window, starvation or loss of TOR signaling disrupted the formation of Snail peaks and endocycle synchronization, whereas later starvation had no effect on snail expression. Taken together, our data demonstrate that insects use the TOR pathway to assess nutrient status during larval development to regulate Snail in ecdysone-producing cells as an effector protein to coordinate endoreplication and CW attainment.