ステロイドホルモンによるグルコース代謝のフィードフォワード制御がショウジョウバエの発生遷移をドライブする

Feedforward Regulation of Glucose Metabolism by Steroid Hormones Drives a Developmental Transition in Drosophila.

• Takashi Nishimura

抄録

代謝は、生物のライフサイクルの中で必要なエネルギーを満たすためには、発達段階の移行と結合しなければなりません。ほとんどの動物では、ステロイドホルモンが成人期までのライフステージ移行の重要な調節因子となっています。ショウジョウバエでは、脱皮や変態などの発生遷移を駆動するのはエクシステロイド量である[1-4]。脱皮と幼虫-蛹移行の時期は環境や内部条件に依存するが、変態は幼虫期に蓄積されたエネルギー性高分子のみに依存する時間的に制御された生命移行イベントである。これまでに、エクシステロイドシグナル伝達カスケードと変態のエネルギー論が決定されている[5-8]。しかし、変態期の代謝恒常性を制御する分子機構はほとんどわかっていませんでした。ここでは、ステロイドホルモンによる糖質代謝のプログラム制御が、ショウジョウバエの蛹化前-蛹化移行を指示していることを示した。蛹化はグルコース酸化の一過性の増加と関連していることを発見した。メカニズム的には、蛹化後、エクシステロイドシグナルとコンピテンシー因子Ftz-F1が、トレハローストランスポーターとトレハロース（Treh）の一過性の誘導を介して、循環するトレハロースの系統的な分解をタイムリーに制御していることがわかった。トレハロースの代謝は、前蛹期-蛹期移行期のエネルギー恒常性に重要である。さらに、トレハロースの代謝は、エクシステロイドの生合成やシグナル伝達の上流で働いています。私の研究成果は、トレハロースの分解が炭素源を提供することでエネルギーコストを決定するだけでなく、蛹化を促進することで蛹化を促進しているという仮説につながっています。私の研究は、ライフステージの移行が、ステロイドホルモンと貯蔵された栄養素の異化との間の事前にプログラムされた調整によって駆動される方法に光を当てています。

Metabolism must be coupled with developmental transition to fulfill the energy requirements during an organism's life cycle. In most animals, steroid hormones are crucial regulators of life-stage transitions until adulthood. In the fruit fly Drosophila, ecdysteroid titers drive developmental transitions, such as molting and metamorphosis [1-4]. Although the timings of molting and larval-pupal transition are dependent on environmental and internal conditions, metamorphosis is a temporally controlled life transition event that solely relies on energetic macromolecules accumulated during the larval period. The ecdysteroid signaling cascade and the energetics of metamorphosis have been determined [5-8]. However, the molecular mechanisms that regulate metabolic homeostasis during metamorphosis remain largely unknown. Here, I show that the programmed regulation of carbohydrate metabolism by steroid hormones directs the prepupal-pupal transition in Drosophila. I found that pupation is associated with a transient increase in glucose oxidation. Mechanistically, after pupariation, ecdysteroid signaling and the competence factor Ftz-F1 regulates the systematic degradation of circulating trehalose via the transient induction of trehalose transporters and trehalase (Treh) in a timely manner. Trehalose metabolism is crucial for energy homeostasis at the prepupal-pupal transition. Moreover, trehalose catabolism acts upstream of ecdysteroid biosynthesis and signaling. My findings lead to the hypothesis that trehalose breakdown not only defines energy costs by providing a carbon source but also facilitates pupation by inducing water loss in the puparium. My work sheds light on the ways in which a life-stage transition is driven by the preprogrammed coordination between steroid hormones and catabolism of stored nutrients.

Copyright © 2020 Elsevier Inc. All rights reserved.