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INSTITUTO OSWALDO CRUZ
Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular
NORATH NATALIA GONZÁLEZ CABALLERO
Caracterização de sequencias de ESTs e proteômica da glândula de feromônio
de Lutzomyia longipalpis (Diptera:Psychodidae).
Tese apresentada ao Instituto Oswaldo Cruz como
parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor
em Biologia Celular e Molecular
Orientador (es): Dr. Reginaldo Peçanha Brazil
Dra. Patricia Cuervo
RIO DE JANEIRO
2013
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INSTITUTO OSWALDO CRUZ
Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular
NORATH NATALIA GONZÁLEZ CABALLERO
Caracterização de sequencias de ESTs e proteômica da glândula de
feromônio de Lutzomyia longipalpis (Diptera:Psychodidae).
ORIENTADOR (ES): Dr. Reginaldo Peçanha Brazil
Dra. Patricia Cuervo
Aprovada em: _21_/_05_/_2013_
EXAMINADORES:
Dr. André Pitaluga - Presidente
Dra. Denise Dias
Dra. Mara Pinto
Dra. Daniele Pereira de Castro – suplente
Dr. José Batista de Jesus - suplente
Rio de Janeiro, 21 de maio de 2013
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Dedicatória
A mamá, quien desde siempre alienta con amor incondicional cada paso que doy….
A papá, quien inspiró coraje, resistencia y amor a mi caminar.
iv
Agradecimentos
Ao Programa de Estudante-Convênio de Pós-Graduação (PEC-PG) e por intermédio
deste, aos órgãos de fomento cientifico CAPES e CNPQ pela oportunidade de realizar meus
estudos de pós-graduação no Brasil.
Ao programa de pós-graduação em Biologia Celular e Molecular pela orientação
acadêmica nestes anos. Especialmente, a seus funcionários pela ajuda constante perante os
órgãos de fomento e àqueles que permitiram meus estudos no Brasil.
Ao Dr Reginaldo Brazil, meu orientador desde o mestrado, pela confiança e constante
apoio nestes anos de trabalho. O senhor não só me abriu as portas da sua equipe de trabalho,
mas também me mostrou caminhos que jamais imaginei percorrer. Sob sua orientação adquiri
muito mais do que treinamento profissional e amadurecimento cientifico, levo comigo
ensinamentos valiosos que lembrarei com imensa gratidão.
À Dra Patricia Cuervo pelo voto de confiança e o apoio que foram cruciais para a
finalização desta tese. Este período trabalhando juntas foi muito precioso não apenas na
minha formação acadêmica, mas também como pessoa. Sempre serei muito grata por tudo.
Às minhas amigas: Marcela, Andressa, Caroline, Rozana, Cecília, e Danielle, graças a
vocês a minha experiência no Rio tem sido única e inesquecível. Vocês estiveram sempre em
todos os momentos, me ensinaram, me apoiaram me ajudaram e acompanharam. Muito
obrigada meninas!
Aos meus colegas do laboratório de Bioquímica e Fisiologia de Insetos; Severino,
Márcia, Raquel, Maiara, Fernando, Hector e Samara pelo companheirismo e a amizade.
Aos meus amigos Nathalia, Camilinha, Monica, Léo, Andrés, André e Geovane pela
força, estímulo e a ajuda que foram fundamentais neste período de aprendizado.
Ao Dr Eloi Garcia pelos ensinamentos e apoio de sempre.
À Dra Patricia de Azambuja por ter me recebido no seu laboratório e me apoiado
continuamente.
Aos companheiros na manutenção da colônia de insetos, especialmente ao Francisco
pelo auxílio indispensável sem o qual esta dissertação não andaria.
À minha avó que com suas orações me acompanhou em todos os momentos.
A meus familiares que estiveram sempre comigo apoiando-me, especialmente a meus
irmãos que mesmo desde longe estão sempre me incentivando em cada desafio.
A meus amigos fora do Brasil que estão sempre na torcida e também no meu coração.
v
A minha amiga Olga Recalde cuja ajuda foi muito importante para a finalização desta
tese.
Agradeço especialmente ao meu marido Victor, por toda a ajuda, e o estímulo
incondicional em todos os momentos.
E finalmente, a todos os que de alguma forma deram a sua contribuição para que esta
dissertação fosse realizada... lhes deixo aqui o meu agradecimento sincero.
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Epígrafe
Há homens que lutam um dia e são bons, há outros que lutam um ano e são melhores,
há os que lutam muitos anos e são muito bons. Mas há os que lutam toda a vida e estes são
imprescindíveis.
(Bertold Brecht)
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INSTITUTO OSWALDO CRUZ
Caracterização transcriptômica e proteômica da glândula de feromônio de Lutzomyia
longipalpis (Diptera:Psychodidae).
RESUMO
TESE DE DOUTORADO
Norath Natalia González Caballero
Lutzomyia longipalpis é o principal vetor de Leishmania infantum, que é o agente
etiológico da Leishmaniose Visceral Americana (LVA). Considerado um complexo de
espécies crípticas, Lutzomyia longipalpis utiliza diferentes feromônios terpenóides
(produzidos por machos) que atuam como atraentes para as fêmeas, e ao mesmo tempo como
feromônios de agregação para os machos. A pesar do conhecimento dos principais
componentes químicos das misturas de feromônios nada se sabe sobre os genes ou as
moléculas diretamente envolvidas na biossíntese ou da sua regulação. Tais moléculas podem
representar alvos alternativos de estratégias de controle das populações desses insetos
vetores. Neste sentido através de uma abordagem descritiva foi realizado o estudo das
sequencias de ESTs assim como também a caracterização subproteômica da glândula de
feromônio. Com as análises dos transcritos e através de pesquisas nas bases de dados
públicos, um grupo de moléculas potencialmente envolvidas na produção de precursores de
terpenóides foi identificado no quarto segmento abdominal (segmento que contém a glândula
de feromônio). Tais moléculas incluem transcritos de possíveis enzimas da via do acido
mevalônico e sequências associadas à preniltransferases. Motivados por estes resultados
também foi realizada uma análise subproteômica da glândula de feromônio combinando
cromatografia liquida SDS-PAGE acoplada com espectrometria de massas LC-MS/MS e
analises dos dados. Tendo em conta que a anotação funcional das sequências do genoma de
Lutzomyia longipalpis ainda é escassa, nós projetamos um fluxo de trabalho alternativo para
o mapeamento proteômico da glândula. As sequências MS/MS foram pesquisadas contra dois
bancos de dados personalizados, utilizando três motores de busca: MASCOT, OMSSA e
ProLuCid. Com esta abordagem, foi possível obter as evidências de expressão das enzimas
identificadas pela análise de transcritos e ainda aumentar o espaço de busca por similaridade
e ampliar as identificações das proteínas da glândula de feromônio de L. longipalpis.
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INSTITUTO OSWALDO CRUZ
Caracterização transcriptômica e proteômica da glândula de feromônio de
Lutzomyia longipalpis (Diptera:Psychodidae).
ABSTRACT
TESE DE DOUTORADO
Norath Natalia González Caballero
Lutzomyia longipalpis is the main vector of Leishmania infantum, the etiological
agent of American visceral leishmaniasis (AVL). Considered a complex of cryptic species,
Lutzomyia longipalpis use male-produced terpenoid pheromones to attract females for mating
and males for aggregation. Despite the chemical identification of the main pheromone blend
components, there is no information regarding genes and proteins directly involved in the
biosynthetic process. These molecules may represent alternative targets for insect population
control. In this respect, we studied the pheromone gland using a descriptive approach
including a ESTs sequiencing and a subproteomic analysis. Through blast searches of public
databases, a group of transcripts encoding proteins potentially involved in the production of
terpenoid precursors were identified in the 4
th
abdominal tergite, the segment containing the
pheromone gland. Such molecules include transcripts potentially related to the mevalonate
pathway enzymes as well as prenyltransferases. Motivated by these results we performed a
subproteomic analysis of this tissue combining SDS-PAGE liquid chromatography in line
with tandem mass spectrometry LC-MS/MS and data mining. Considering that the functional
annotation of genome sequences of Lutzomyia longipalpis is relatively scarce, we designed
an alternative workflow searching MS/MS data against two customized databases using three
search engines: Mascot, OMSSA, and ProLuCid. Through this approach it was possible to
obtain evidence of expressions for those molecules found in the transcriptome and also
broadens the search records to allow a confident identification of L. longipalpis proteins by
similarity analysis.
ix
Sumário
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................................................. 1
1.1 COMUNICAÇÃO QUÍMICA ......................................................................................................................... 1
1.2 O ESTUDO DOS FEROMÔNIOS NOS INSETOS. ................................................................................................ 3
1.2.1 Principais características dos feromônios identificados em algumas ordens de insetos ......... 3
1.3 FLEBOTOMÍNEOS.................................................................................................................................... 6
1.3.1 Posição Sistemática ................................................................................................................. 6
1.3.2 A importância médica veterinária ........................................................................................... 7
1.3.3 Biologia dos flebotomíneos. .................................................................................................... 9
1.3.4 O estudo das populações de Lutzomyia longipalpis. ............................................................. 10
1.3.5 Feromônios no complexo Lutzomyia longipalpis ................................................................... 12
1.4 DESVENDANDO ROTAS DE BIOSSÍNTESE EM INSETOS .................................................................................... 15
1.4.1 Rotas de biossíntese de feromônios. ..................................................................................... 16
2 OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 18
2.1 OBJETIVO GERAL .................................................................................................................................. 18
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................................................................... 18
3 RESULTADOS ............................................................................................................................................. 19
4 ARTIGO 1: ................................................................................................................................................. 20
5 ARTIGO 2: ................................................................................................................................................ 21
6 DISCUSSÃO ............................................................................................................................................... 22
7 REFERENCIAS ............................................................................................................................................ 31
8 TRABALHO EM COLABORAÇÃO (Anexo )
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Comunicação química
Além de modos sonoros e visuais de comunicação, os organismos vivos usam sinais
químicos para a transmissão de informações entre indivíduos. Esta linguagem é utilizada por
bactérias, fungos, plantas e animais sendo considerada a mais antiga e difundida troca de
informação na natureza (Arn et al., 2000; Steiger et al., 2011).
Os agentes químicos que carregam mensagens entre os organismos são denominados
semioquímicos, termo proveniente da palavra grega semeon que significa “marca ou sinal
químico” (Law & Regnier, 1971). Os semioquímicos são subdivididos em aleloquímicos e
feromônios, dependendo, se a transferência de informação é interespecífica ou intraespecífica
respectivamente (Nordlund & Lewis, 1976).
Aleloquímicos são compostos secretados por um indivíduo de uma espécie e recebidos
por indivíduos de outras espécies. Na natureza, essas substâncias possuem um papel
importante nas relações entre diversos organismos tais como predador-presa, parasita-
hospedeiro, herbívoro-planta entre outras, mediando interações entre organismos de até três
ou mais níveis tróficos (Price et al., 1980, Simpson & Raubenheimer, 2001). Os
aleloquímicos podem ser classificados em cairomônios (beneficia o receptor), alomônios
(beneficia o emissor) e sinomônios (beneficiam ambos, receptor e emissor) de acordo com a
mensagem química para o qual sinalizam (Francke & Schulz, 1999).
A origem do termo “feromônio” está relacionada com a união das palavras gregas
pherein e horman que significam carregar e estimular respectivamente. Esta terminologia foi
proposta por Karlson e Butenandt (1959) para mencionar a substância química ou mistura de
substâncias que atuam na comunicação entre indivíduos de uma determinada espécie, ao
contrário dos hormônios, substâncias que atuam no interior do organismo como mensageiros
entre órgãos e tecidos. Além disto, outra característica diferencial é a conservação da
identidade química das moléculas. Enquanto que os tipos de compostos usados como
feromônios ou aleloquímicos são altamente variáveis, os hormônios são relativamente
conservados, podendo o mesmo composto químico, exercer sua ação de forma comum em
diversas espécies de insetos (Morgan, 2010).
Entre os insetos a comunicação por feromônios representa uma das ferramentas mais
desenvolvidas e usadas para o desempenho das atividades vitais. Estes podem atuar
2
provocando um comportamento imediato, os desencadeadores, ou, podem atuar na fisiologia
do organismo receptor provocando uma resposta prolongada e mais lenta, os preparadores
(Wilson & Bossert, 1963). Diferentes tipos de feromônios desencadeadores são reconhecidos
dependendo do estímulo provocado no receptor. Os comportamentos mais comuns são:
agregação, acasalamento, detecção do perigo ou alarme, demarcação de espaço, formação de
trilha ou escolha de locais para oviposição. Por outro lado, o uso dos feromônios
preparadores, é atribuídos comumente a insetos sociais, como parte de estratégias para o
estabelecimento e manutenção da estrutura de colônias. Recentemente a estrutura química de
alguns feromônios preparadores foi identificada em espécies da ordem Hymenoptera
(Holman et al., 2010; Conte & Hefetz, 2008). A determinação das castas ou o
desenvolvimento reprodutivo são alguns exemplos de respostas reguladas por esse tipo de
feromônio, especialmente na estrutura de colônias de insetos sociais. Feromônios
preparadores são primariamente produzidos por rainhas e transportados pelos operários
(Beggs et al., 2007, Grozinger et al., 2003).
Sendo assim, os semioquímicos são classificados de acordo com o tipo de interação e
modo de ação (Figura 1), embora possam ser classificados, de acordo com o contexto, em
diversas categorias devido a ampla funcionalidade que alguns semioquímicos apresentam
(Morse, 1972, Whitman, 1988).
Figura 1. Nomenclatura e classificação dos semioquímicos (modificado de Francke & Schulz, 1999).
3
1.2 O estudo dos feromônios nos insetos.
Devido às consequências da ação de determinados insetos fitófagos ou de vetores de
agentes patogênicos, nas últimas décadas têm sido desenvolvidas e aplicadas estratégias
inovadoras empregadas como alternativas ao uso de inseticidas. A utilização de
semioquímicos representa uma prática menos prejudicial ao ecossistema e apresenta-se como
um elemento promissor do manejo integrado para um grande número de espécies de insetos.
Das inúmeras possibilidades de usos de diferentes semioquímicos, até hoje, os avanços nas
pesquisas estão mais relacionados aos feromônios sexuais. A facilidade de manipulação dos
comportamentos reprodutivos entre indivíduos de uma mesma espécie, e a preservação dos
inimigos naturais nos ecossistemas agrícolas são alguns dos fatores que estimulam a
utilização destas substâncias no monitoramento de insetos (Jutsum & Gordon, 1989, Witzgall
et al., 2010). Com o uso de feromônios sexuais é possível intervir em diferentes estágios do
processo de cópula, permitindo o controle de populações mediante a captura massal,
confundimento sexual ou ainda para o simples monitoramento da presença do inseto no
campo.
O feromônio sexual pode ser um composto químico, ou por outro lado, uma mistura de
compostos de uma grande variedade de moléculas, desde longas cadeias alifáticas (voláteis)
até pequenas moléculas cíclicas. Uma vez liberados no meio ambiente, os feromônios, podem
ser detectados pelos organismos receptores em concentrações extremamente baixas (Minor &
Kaissling, 2003).
1.2.1 Principais características dos feromônios identificados em algumas ordens
de insetos
Lepidoptera
O primeiro feromônio isolado e identificado, segundo a literatura, foi o bombicol,
produzido pela mariposa do bicho da seda, Bombyx mori. Após 20 anos de pesquisa,
Butenandt e colaboradores (1959) determinaram a estrutura química deste feromônio como
(E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol. Desde então, uma grande variedade de semioquímicos foi
identificada assim como os comportamentos por estes provocados, a partir dos avanços no
desenvolvimento de metodologias e de ferramentas de análises cada vez mais sensíveis.
Em Lepidoptera, comumente os feromônios sexuais são produzidos e liberados pelas
fêmeas para atração dos machos a longa distância. A maior parte destes mensageiros são
4
moléculas de 10 a 18 carbonos e consequentemente apresentam características comuns, como
baixo peso molecular e alta volatilidade. Os grupos químicos predominantes são os alcoóis,
acetatos ou aldeídos, seguidos pelos hidrocarbonetos polienos e epóxidos que se apresentam
em menor abundância (Millar, 2000).
Neste grupo de insetos os feromônios sexuais comumente estão constituídos por
misturas de cinco ou seis componentes (Silverstein & Young, 1976; Wyatt, 2003) atuando no
desencadeamento de comportamentos pré-copulatórios somente entre indivíduos de uma
determinada espécie (Wyatt, 2003). Desta forma, o caráter “privado” das mensagens é
adquirido como resultado das funções predeterminadas como comprimento da cadeia;
presença de grupos funcionais; número de insaturações; posição de duplas ligações e
isometria espacial dos compostos (Linn & Roelofs, 1989).
A biossíntese do feromônio sexual e sua posterior liberação ocorrem geralmente em
glândulas localizadas entre o oitavo e nono segmento abdominal (Ma et al., 2003, Roelofs &
Rooney, 2003). Uma vez que a maior parte dos componentes químicos dos feromônios
consiste de moléculas de cadeias lineares com número par de carbonos, presumi-se que estes
são sintetizados através de modificações da biossíntese dos ácidos graxos (Jurenka, 2004).
Consequentemente, este processo é resultado da ação de sistemas enzimáticos especializados
em reações de encurtamentos de cadeias, dessaturações ou modificações de grupos funcionais
dos ácidos graxos (revisto em Jurenka, 2004).
Coleoptera
Um grande número de coleópteros fitófagos é economicamente importante por serem
pragas de cultivos, florestas e produtos armazenados, atuando como vetores de fungos e
vírus. As consequências de tais efeitos os tornou foco de muitas pesquisas como, por
exemplo, o estudo da comunicação inter e intraespecífica. Semelhantemente à grande
variedade de coleópteros, as estruturas químicas dos feromônios por eles utilizados são muito
diversas (Blomquist & Vogt, 2003). Alguns escaravelhos, (subfamília Rutelinae), por
exemplo, utilizam derivados da síntese de ácidos graxos (Leal et al., 1999), enquanto que
outros (subfamília Melolonthinae) usam derivados de aminoácidos ou compostos terpenóides
como feromônios (Leal et al., 2003; Leal, 1999; Zhang et al., 1997; Francke & Dettner,
2005). Recentemente grande parte da literatura sobre feromônios de coleópteros e outros
5
insetos foi compilada num abrangente banco de dados gratuitamente disponível com o nome
de The Pherobase (El-Sayed, 2012).
Dependendo da espécie, a produção de feromônios pode ocorrer no abdômen (revisto
em Plarre & Vanderwel, 1999), em glândulas definidas (Merivee & Erm, 1993), ou em
grupos de células de áreas anatômicas resolvidas que não chegam a conformar uma glândula,
mas são sítios de biossíntese identificados (Nardi et al., 1996). Por outro lado também foi
observada a presença de possíveis glândulas em outras localizações anatômicas como no caso
da antena de Batrisodes oculatus (de Mazo & Vit, 1983) ou nas patas de Tribolium
castaneum (Faustini et al., 1981).
Devido ao poder destrutivo de alguns insetos da família Scolytidae, considerados
importantes pragas agrícolas, a comunicação química destes foi foco de muitos estudos no
Hemisfério Norte (Pureswaran et al., 2000; Erbilgin et al., 2003; Seybold et al., 2006). Um
considerável número de espécies utilizam feromônios isoprenóides (Seybold et al., 2000) e a
produção destes, pode ser resultado de modificações de compostos derivados da dieta
(Vanderwel, 1994; Blomquist et al., 2010) ou sintetizados “de novo” (Seybold et al., 1995;
Tillman et al., 1998).
Diptera
Similarmente ao observado na ordem Coleoptera, nos insetos dípteros, existe uma
extraordinária diversidade e complexidade na comunicação por semioquímicos (Wicker-
Thomas, 2007). No entanto, a maioria dos feromônios sexuais descritos neste grupo são
hidrocarbonetos de 21 carbonos ou até mais longos, atuando como feromônios de curto
alcance ou de contato (Blomquist et al., 1993). Esses compostos são sintetizados através de
modificações do metabolismo de lipídeos cuticulares em células epidérmicas, denominadas
oenócitos (Nelson & Blomquist, 1995). Uma vez produzidos, o feromônios são depositados
sobre a superfície cuticular (Ismail & Kremer, 1983, Langley & Carlson, 1983).
Nesta ordem o primeiro feromônio identificado foi o moscalure ou (Z)-9-tricoseno que
foi isolado da cutícula e das fezes de fêmeas da mosca comum, Musca domestica (Carlson et
al., 1971). A existência dele foi primeiramente demonstrada por Rogoff e colaboradores
(1964) através de testes de atração dos machos à fonte de odor. Apesar de não ter ação tóxica
para os insetos, o moscalure é reconhecido como pesticida bioquímico (EPA, 2013) já que é
6
utilizado como atraente em armadilhas como uma das medidas de monitoramento da
reprodução destes insetos.
Também foram identificados feromônios, no gênero Drosophila, que reúne insetos
considerados modelos para estudos de desenvolvimento, genética, fisiologia e
comportamento. Neste táxon, o primeiro feromônio caracterizado foi o (Z,Z)-7,11-
heptacosadiene produzido pela mosca da fruta, Drosophila melanogaster (Antony & Jallon,
1982). Essa substância é considerada um potente afrodisíaco para os machos após ensaios
sobre especificidade realizados em laboratório (Antony et al., 1985).
Do mesmo modo que a ação dos insetos pragas de cultivos constituem prejuízos na
economia, aqueles insetos vetores de agentes patógenos são de incalculável importância
devido a seu efeito na saúde mundial. Avanços no uso de armadilhas utilizando diferentes
misturas de feromônios, cairomônios e inseticidas têm mostrado efetividade no controle de
algumas espécies, conseguindo em alguns casos a erradicação de algumas populações, como,
no caso da mosca tsé-tsé (Eiras, 2001). Glossina spp (Diptera: Muscidae), ou mosca tsé-tsé, é
o vetor do parasito Trypanosoma brucei que causa a tripanossomíase Africana (doença do
sono) no homem (Barrett et al., 2003). O feromônio sexual produzido pela espécie Glossina
morsitan morsitans foi isolado da cutícula das fêmeas e os componentes foram identificados
como alquenos com mais de 30 carbonos (Carlson et al., 1978). Essa identificação química,
assim como a de outros semioquímicos tem contribuído significativamente nas diferentes
estratégias de controle desses insetos vetores (Jordan, 1995).
1.3 Flebotomíneos
1.3.1 Posição Sistemática
Os flebotomíneos são insetos dípteros hematófagos pertencentes à família Psychodidae
subfamília Phlebotomine. A classificação destes insetos é baseada na morfologia dos adultos,
machos e fêmeas (Forattini, 1973; Young & Duncan, 1994). De acordo com Young e Ducan
(1994) a subfamília agrupa seis gêneros, sendo Phlebotomus Rondani, 1840; Sergentomyia
França & Parrot, 1920 e Chinius Leng, 1987 de ocorrência no Velho Mundo e, Lutzomyia
França 1924; Brumptomyia França & Parrot, 1921 e Warileya Hertig,1948 no Novo Mundo.
Medindo aproximadamente 2 a 3 mm, os flebotomíneos se distinguem dos demais
psicodídeos por apresentarem corpo delgado e recoberto com um grande número de cerdas,
7
asas de formas lanceoladas sempre eretas quando em repouso, e voos curtos e saltitantes
(revisto em Killick-Kendrick, 1999).
O gênero Lutzomyia, se destaca dos outros gêneros presentes no Novo Mundo por
apresentar a maior distribuição geográfica, com espécies habitando desde o México até o
norte da Argentina (Young & Duncan, 1994). Das 500 espécies de flebotomíneos descritas
nas Américas a maioria delas, um pouco mais de 400, são Lutzomyia. Este gênero possui 15
subgêneros, 11 grupos de espécies e ainda, algumas espécies isoladas (Barreto, 1962;
Theodor, 1965; Lewis et al., 1977; Martins et al., 1978; Young & Duncan, 1994).
Uma classificação mais recente foi proposta por Galati (1995), na qual a divisão dos
insetos em duas tribos, previamente apresentada por Artemiev (1991) foi mantida. Através de
análises filogenéticas criaram-se oito subtribus, diversos novos gêneros, e alguns subgêneros,
já existentes foram elevados a gêneros (Galati, 2003).
1.3.2 A importância médico veterinária
Algumas espécies de flebotomíneos são importantes vetores naturais de patógenos
como parasitos do gênero Leishmania, a bactéria Bartonella bacilliformis e alguns arbovírus
(revisto em Ready, 2013).
Entre as doenças produzidas por tais patógenos a mais importante é a leishmaniose,
composta por um grupo de doenças tropicais severas, clinicamente heterogêneas e
distribuídas em todos os continentes, sendo endêmica em 98 países (Antinori et al., 2012;
WHO 2013). Há aproximadamente 350 milhões de pessoas em situações de risco com dois
milhões de novos casos relatados a cada ano (Desjeux, 1996; Cunningham, 2002). A pesar da
importância médica, a leishmaniose é considerada uma doença negligenciada quando
comparada com outras doenças tropicais (Colwell et al., 2011; Hotez et al., 2006). Os agentes
etiológicos das leishmanioses são os parasitos do gênero Leishmania (Ross, 1903) (Protozoa:
Kinetoplastida) que por sua vez são transmitidos por flebotomíneos do gênero Phlebotomus
no Velho Mundo e Lutzomyia no Novo Mundo (Killick-Kendrick, 1999).
Leishmania infantum é o agente etiológico da Leishmaniose visceral (LV), a forma
mais grave das leishmanioses. No Novo Mundo, o parasito é transmitido principalmente por
Lutzomyia longipalpis (Lutz e Neiva). Outro flebotomíneo incriminado como vetor deste
parasito é Lutzomyia cruzi Mangabeira 1938 (Galati et al., 1997, de Pita-Pereira et al., 2008)
que tem uma ocorrência concentrada na região centro-oeste do Brasil e sul da Bolívia (Brazil
8
et al., 2010). Resultados de estudos sobre diferentes caracteres destas duas espécies de
flebotomíneos indicam que L. longipalpis e L. cruzi são bastante relacionadas (Brazil &
Hamilton, 2002; Spiegel et al., 2004; Pinto et al., 2010 e Vigoder et al., 2010). No que diz
respeito à morfologia, as fêmeas destes flebotomíneos são indistinguíveis enquanto que
apenas sutis divergências na genitália são observadas nos machos (Young & Duncan 1994).
A LV é uma doença sistemática que apresenta um significativo aumento em várias
regiões endêmicas (Romero & Boelaert, 2010; Chappuis et al., 2007). A Organização
Mundial da Saúde estima a ocorrência de cerca de meio milhão de novos casos de LV no
mundo por ano; e se a doença não é tratada, pode-se ter uma taxa de mortalidade tão elevada
quanto 100% em dois anos (OMS, 2013) (Figure 2).
Figura 2. Distribuição geográfica da Leishmaniose Visceral (Fonte: Desjeux, 2004).
9
1.3.3 Biologia dos flebotomíneos.
Os flebotomíneos são insetos holometábolos, apresentando as fases de ovo, quatro
estádios larvais (L1-L4), pupa e adulto (Figura 3). Os adultos apresentam dimorfismo sexual,
ou seja, diferenças nas estruturas corporais.
Figura 3. Ciclo biológico dos flebotomíneos (Fonte Brazil & Brazil, 2003)
Tanto fêmeas como machos, se alimentam de derivados de açúcares de origem vegetal
(Schlein & Warburg, 1986), mas, somente as fêmeas realizam o repasto sanguíneo, que
fornece a nutrição necessária para a produção e amadurecimento dos ovos (Killick-Kendrick,
1990; Warburg & Faiman, 2011). Durante o repasto sanguíneo nos animais vertebrados é o
momento em que pode ocorrer a transmissão das leishmanias, já que estes, na forma de
amastigotas, podem estar infectando macrófagos. Estas células quando ingeridas pelo inseto
são conduzidas ao intestino médio, onde passam por processos de diferenciação e intensa
multiplicação, transformando-se em promastigotas em um curto período de 12 a 20 horas
após o repasto. (Kamhawi, 2006; Sacks, 2001). Posteriormente estes patógenos, já na forma
de flagelados, migram para a região anterior do trato digestivo do vetor diferenciando-se
finalmente nas formas infectantes (promastigota metacíclica) que, após um novo ato de
hematofagia do inseto, são inoculados nos vertebrados (Sacks & Kamhawi, 2001).
10
O crepúsculo é o principal momento do dia em que um grande número destes insetos se
reúne perto dos hospedeiros ou sobre estes para a alimentação (Quinnell & Dye, 1994). A
pesar de somente as fêmeas serem hematófagas, os machos também são atraídos sendo os
primeiros a chegar perto dos hospedeiros demarcando território individual e esperando pelas
fêmeas para o acasalamento (Jarvis & Rutledge, 1992). Esta atração pelos vertebrados ocorre
em resposta a sinais químicos emitidos pelos hospedeiros, como o CO2 e outros compostos
voláteis provavelmente derivados da respiração ou da pele (Nigam & Ward, 1991; Oshaghi et
al., 1994; Pinto et al., 2001). Experimentos realizados no campo indicam que o tamanho dos
hospedeiros também poderia ter um papel importante na escolha e localização destes pelos
insetos (Quinnell et al., 1992). Posteriormente, Hamilton e Ramsoondar (1994) ainda
relataram que diferentes populações de L. longipalpis (colônias originárias de Jacobina e
Lapinha no Brasil) apresentaram respostas diferenciadas aos odores humanos, sendo a
população de Jacobina mais antropofílica que a de Lapinha.
1.3.4 O estudo das populações de Lutzomyia longipalpis.
Além das diferenças relacionadas às respostas aos cairomônios, outras variações entre
populações também foram observadas. As diferenças vêm sendo observadas desde 1969,
quando Mangabeira relatou a ocorrência de variações morfológicas nos machos de duas
populações. Insetos coletados no Estado do Pará (Norte) apresentavam um par de pintas
claras, localizadas no quarto segmento abdominal (fenótipo chamado de 1S) enquanto que
machos coletados no Estado do Ceará (Nordeste) apresentavam dois pares de pintas (fenótipo
chamado de 2S) no quarto e no terceiro segmento abdominal. Essas diferenças (Figura 4)
junto ao fato das duas formas serem encontradas em condições ecológicas distintas levou o
autor a propor de que L. longipalpis é um complexo de espécies.
11
Figura 4. Machos de Lutzomyia longipalpis com um par de pintas (A) e dois pares de pintas (B) nos
tergitos abdominais.
Além da ocorrência dos dois fenótipos (1S e 2S), em 1983 Ward e colaboradores
descreveram a existência de populações naturais de machos com o morfotipo intermediário
de uma pinta e meia, sendo a mancha presente no terceiro segmento abdominal de menor
tamanho que a do quarto. Os autores ainda realizaram experimentos de cruzamento entre as
populações simpátricas e alopátricas com diferentes números de pintas. Eles observaram uma
baixa taxa de inseminação após o cruzamento entre os insetos previamente capturados na
mesma localidade (populações simpátricas) e que possuíam tanto o morfotipo 1S como o 2S.
O mesmo resultado foi observado entre insetos com diferente número de pintas (2S e 1S) e
provenientes de diferentes Estados (Ceará e Minas Gerais) assim como também entre insetos
oriundos de diferentes Estados e apresentando o mesmo morfotipo 1S (Ward et al., 1983;
Ward et al., 1988). Mais recentemente, Souza e colaboradores (2008) realizaram novos
experimentos de cruzamento entre populações alopátricas, insetos oriundos de Lapinha (MG),
Sobral (BA) e Natal (RN), como também entre populações simpátricas de Sobral (1S e 2S).
Os pesquisadores observaram que como resultado de alguns cruzamentos entre insetos
homoespecíficos a prole apresentava o fenótipo intermediário e os híbridos ainda eram férteis
e viáveis (Souza et al., 2008). Contudo, os resultados desses experimentos mostraram que as
pintas não podiam ser utilizadas como caráter de diferenciação taxonômica. Porém, foi visto
que o fenótipo de pintas poderia ser útil para distinguir duas espécies simpátricas no
complexo L. longipalpis. Isto foi verificado em Sobral (CE), onde coexistem populações com
12
machos apresentando ambos os tipos (1S e 2S). No entanto, uma população está isolada
reprodutivamente da outra (Ward et al., 1983; Ward et al., 1988; Souza et al., 2008). Além
desses trabalhos realizados no Brasil, outros estudos comparando amostras da América
Central com a América do Sul também sugeriram que L. longipalpis seja com complexo de
espécies (Lanzaro et al., 1993; Arrivillaga et al., 2003).
Entretanto, o debate sobre existência ou não de mais de uma espécie entre as
populações brasileiras de L. longipalpis surgiu dos resultados de estudos medindo diversos
parâmetros. Segundo alguns autores, os estudos utilizando análises de isoenzimas e de genes
mitocondriais não revelaram um grau de divergências suficiente que suporte a separação
taxonômica entre as populações (Mukhopadhyay et al., 1998; Mutebi et al., 1999; Azevedo et
al., 2000). No entanto, outros trabalhos utilizando diferentes tipos de analises, incluindo tanto
marcadores moleculares (genes envolvidos com o comportamento sexual e microssatélites)
como sinais acústicos e feromonios; mostraram diferenças que poderiam apontar uma
separação entre as populações (revisto em Bauzer et al., 2007; Maingon et al., 2003;
Maingon et al., 2008;Watts et al., 2005 Souza et al., 2002; Souza et al., 2004; Lins et al.,
2008; Araki et al., 2009; Vigoder et al., 2010).
Considerando as evidências que suportam a hipótese de que L. longipalpis é complexo
de espécies junto aos resultados dos experimentos de cruzamento, ainda surge o
questionamento de quais mecanismos poderiam derivar nos isolamentos reprodutivos entre as
populações e a demarcação entre as espécies crípticas dentro do complexo. Neste sentido,
junto aos estudos de sinais acústicos o estudo de feromônios sexuais poderia contribuir na
procura de mecanismos pré-copulatórios destes insetos.
1.3.5 Feromônios no complexo Lutzomyia longipalpis
1.3.5.1 Sítio de produção do feromônio
Indícios da presença de feromônios na família Psychodidae iniciaram-se com a
descrição de uma glândula de cheiro no mesotórax de Ulomyia fuliginosa (Feuerborn, 1922).
No que diz respeito aos insetos hematófagos da subfamília Phlebotominae, a primeira
indicação sobre a presença de uma possível glândula “odorífera” foi realizada por Bart
(1961) através da publicação de desenhos das células secretoras observadas nos segmentos
abdominais de machos de Lutzomyia s.l. (Lutz and Neiva, 1912). A aparência de “manchas
claras” de tais tergitos foi mais tarde relatada por Mangabeira (1969) como variavelmente
13
presentes no quarto; ou no terceiro e quarto segmentos abdominais de machos de diferentes
populações de L. longipalpis. A estrutura superficial destes tergitos foi posteriormente
examinada por Lane e Bernardes (1990) usando microscópio eletrônico de varredura. Foram
descritas áreas sem as estruturas regularmente distribuídas no resto do corpo de insetos
adultos, conhecidas como “macrotriquias”. Na mesma região também foi observada a
presença de pequenas pápulas com poros centrais, que poderiam representar as estruturas de
disseminação de feromônios. Maiores detalhes das principais estruturas presentes na glândula
foram ilustrados recentemente em trabalhos de ultraestrutura e técnicas de citoquímica que
contribuíram com a descrição do epitélio glandular. Foram identificadas típicas células
secretoras conectadas à cutícula através de dutos e a presença de lipídeos no citoplasma
(Spiegel et al., 2002). Recentemente estudos correlacionaram a produção de feromônio com a
morfogênese das células glandulares, onde reportou-se que a biossíntese de feromônio
começa, aproximadamente, 12 horas após a emergência do adulto e aumenta continuamente
durante os três primeiros dias estabilizando-se em seguida (Spiegel et al., 2011)..
1.3.5.2 Tipos de feromônios
Dados morfológicos das estruturas de manchas tergais claras foram consistentes com a
localização do sítio de produção de feromônio sexual em L. longipalpis (Lane & Ward, 1984;
Lane et al., 1985; Morton & Ward, 1989). Compostos extraídos de tais estruturas foram
ensaiados através de análises químicas e de comportamento, a fim de analisar qual
componente químico poderia ser o feromônio sexual. O composto encontrado em maior
abundância no tecido analisado mostrou ser o responsável pela atração das fêmeas (Hamilton
et al., 1994). Uma vez analisados os feromônios de diferentes populações de L. longipalpis
estes foram identificados como pertencentes à classe química dos terpenos (Hamilton, 2008).
Os feromônios podem ser homosesquiterpenos, que são compostos de 16 carbonos ou
diterpenos que são compostos de 20 carbonos. Porém, segundo Hamilton (2002) machos do
gênero Lutzomyia podem ser divididos em três grupos, aqueles que produzem terpenos e
possuem as estruturas de manchas tergais; aqueles que não produzem terpenos mas possuem
as manchas e ainda que os não produzem terpenos e nem apresentam tais estruturas.
Os homosesquiterpenos, (S)-9-metilgermacreno-B (Figura 5A) e (1RS,3RS,7RS)-3-
methyl-α-himachalene (Figura 5B), são os componentes principais dos feromônios das
populações de Lapinha, (MG) e de Jacobina, (BA) respectivamente. Em quanto que os
diterpenos, que são isômeros de cembreno (cuja estrutura química ainda não foi elucidada),
14
são os compostos ativos das populações de Santarém, (PA); e Jaíba, (MG); respectivamente
(Hamilton et al., 1996a; Hamilton et al., 1996b; Hamilton et al., 1999a; Hamilton et al.,
1999b; revisto em Hamilton, 2008).
Figura 5. Homosesquiterpenos produzidos por populações de Lutzomyia longipalpis
(A) 9-metilgermacreno-B e (B) (1RS,3RS,7RS)-3-methyl-α-himachalene.
Em alguns trabalhos sobre o comportamento sexual de L. longipalpis, têm sido
observados machos com ativa agitação das asas antes e durante a cópula. Através de estudos
em laboratório, foi constatado que este movimento de asas pode estar relacionado à
demarcação do território individual de machos, uma vez pousados nos hospedeiros (Jarvis &
Rutledge, 1992). Além disso, quando a presença das fêmeas é detectada, os machos se
aproximam a estas com intensa vibração das asas que permanece ininterrupta durante a
cópula (Jarvis & Rutledge, 1992). Posteriormente foi observado que esse comportamento tem
implicações na geração dos sinais acústicos produzidos durante o acasalamento, os quais
foram estudados em diversas populações do inseto (Souza et al., 2002; Souza et al., 2004).
Por outro lado, a possibilidade de que esta vibração possa ter algum efeito na comunicação
química de L. longipalpis também foi sugerida, já que a oscilação de assas poderia estar
contribuindo na dispersão do feromônio sexual para ambos, machos e fêmeas (Jones &
Hamilton, 1998; Lane et al., 1985; Ward et al., 1989).
Na natureza, admite-se que a cópula ocorre no período noturno quando os
flebotomíneos estão mais ativos. Os machos chegam aos hospedeiros vertebrados, antes das
fêmeas, provocando a agregação de outros machos através da produção de feromônios, que
por sua vez produzem mais feromônios atraindo ainda mais machos (Kelly & Dye, 1997).
15
Consequentemente, as fêmeas virgens são atraídas pelos feromônios dos machos que estão
em sinergia com odor do hospedeiro (Bray & Hamilton, 2007).
Nos insetos em geral a detecção dos estímulos químicos ocorre através dos sistemas
sensoriais olfato e a gustação. A detecção dos feromônios pode ocorrer pelos dois sistemas, a
pesar de que a maioria dos mecanismos conhecidos estão associados com o olfato (Amrein,
2004; Vogt, 2005). Neste último sistema as proteínas que estão envolvidas na detecção de
odores são aquelas associadas a receptores de odor [ORs (odorant receptors)], as proteínas de
união a odor [OBPs (odorant binding protein)] e as enzimas degradadoras de odor [ODEs
(odorant degrading enzymes)].
No que diz respeito ao uso de feromônios sexuais no complexo L. longipalpis até agora
não são conhecidas as bases genéticas da biossíntese destes compostos ou a sua regulação.
Neste sentido, tanto a compreensão dos mecanismos das reações de biossíntese, como a
identificação das enzimas que catalisam tais reações ou dos genes que codificam as enzimas,
é de crucial importância para o desenho de inovadoras técnicas moleculares no controle deste
importante vetor.
1.4 Desvendando rotas de biossíntese em insetos
Biossíntese ou biogênese é a construção de compostos químicos através dos processos
fisiológicos que ocorrem em organismos vivos (Alberts et al., 2002). Nos processos
biosintéticos, os substratos são convertidos em produtos mais complexos através de vários
passos enzimáticos em que o produto de um passo é utilizado como substrato no passo
seguinte (Buchanan et al., 2000).
A matéria prima ou substrato inicial pode ser qualquer composto derivado tanto do
metabolismo primário, como do secundário (Mann, 1994). O metabolismo primário envolve
as reações e compostos essenciais para a vida da célula como, por exemplo, a produção de
aminoácidos, ácidos graxos, açúcares etc., enquanto que o metabolismo secundário abrange
processos e compostos necessários para manter a vida do organismo como todo (Demain,
1980; Verpoorte, 2000). São considerados metabólitos secundários, os pigmentos, hormônios
ou feromônios uma vez que são usados no sistema de sinalização entre organismos no
ecossistema. No entanto, a divisão entre o “que é” metabolismo primário ou secundário fica
um tanto arbitrário e é rejeitada por alguns autores (Firn & Jones, 2009).
Algumas características bioquímicas dos insetos são compartilhadas com todos os
organismos vivos, ou com todos os animais, mas por outro lado, também existem
16
características específicas dos insetos, ou específicas de determinadas espécies, ou mesmo de
uma única linhagem dentro de uma espécie (Morgan, 2010). A conservação destas
características, como por exemplo, algumas reações enzimáticas entre os insetos, são muitas
vezes aproveitadas em desenhos experimentais como parte das estratégias no desvendamento
de vias biossintéticas (Morgan, 2010).
1.4.1 Rotas de biossíntese de feromônios.
Nos estudos de reações de biossíntese, comumente existe uma hipótese que sugere
como o composto alvo pode ser formado ou qual material é utilizado como substrato e o tipo
de reação enzimática (Morgan, 2010).
Um modo de testar uma hipótese é através da marcação isotópica. Nesta estratégia o
substrato é marcado com algum isótopo e fornecido ao organismo ou célula na qual ocorre a
biossíntese. Após o tempo de incubação a produção do feromônio pode ser guiada pela
marcação dos compostos intermediários nas reações de biossíntese. Desta forma, o composto
de interesse é finalmente isolado com o isótopo incorporado. Um exemplo da aplicação deste
procedimento experimental é o estudo de feromônios realizado por Seybold e colaboradores
(1995) sobre a produção dos álcoois monoterpenóides: ipsenol e ipsdienol. Estes compostos
são os feromônios de agregação dos coleópteros Ips paraconfusus e Ips pini. Os
investigadores puderam corroborar a biossíntese “de novo” de tais feromônios através da
incorporação do [
14
C] acetato nas moléculas ipsenol e ipsdienol obtidas das células
biossintéticas em insetos machos.
Outra possível estratégia é empregar linhagens mutantes de organismos que não
possuam determinadas enzimas para completar uma síntese definida ou, por outro lado,
empregar inibidores enzimáticos. Um exemplo da aplicação desta última tática é o trabalho
de Burse e colaboradores (2008), relacionado à elucidação da síntese de secreções de defesa
de larvas de besouros da família Chrysomelidae. Nesse estudo foi observado o efeito da
inibição da enzima 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR), na produção do
composto isoprenoide designado iridoide. Esta enzima é chave na regulação da via do ácido
mevalônico, e sua ação foi previamente associada à biossíntese “de novo” do iridoide (Lorenz
et al., 1993).
17
1.4.1.1 Biologia molecular aplicada a estudos de biossínteses de feromônios.
Com os avanços nas técnicas de biologia molecular tornou-se possível estudar genes
que codificam as proteínas encarregadas da produção de feromônios. Uma vez identificado o
mRNA para a síntese de uma enzima em particular, é possível obter por transcrição reversa a
sequência codificadora e expressá-lo em sistemas como bactérias, leveduras ou cultura de
células (Brown, 2006). Esta metodologia foi utilizada para estudar as enzimas 11-
desaturases, que são chaves na biossíntese de um número de feromônios derivados de ácidos
graxos e expressos nas glândulas de lepidópteros (Knipple et al., 1998).
Por outro lado, esta metodologia pode ser aplicada ao estudo simultâneo de vários
genes através da construção e sequenciamento de bibliotecas de cDNA. Esta alternativa
permite o estudo comparativo dos genes que estão sendo expressos em um momento
determinado ou em um tecido especifico. Esta metodologia foi utilizada com sucesso nos
estudos dos genes envolvidos na biossíntese de feromônios de alguns insetos lepidópteros
(Strandh et al., 2008; Vogel et al., 2010) e mais recentemente também em térmitas (Hojo et
al., 2012). Alem disso analises de transcriptoma realizados simultaneamente com estudos de
proteômica também tem sido realizados em diversos tecidos de outros insetos, como por
exemplo, em glândula salivar de Aedes aegypti (Valenzuela et al., 2002), e de algumas
espécies de flebotomíneos (Rohoušová et al., 2012).
Nesse sentido, realizamos análises transcriptômica e proteômica para obter maior
conhecimento das proteínas expressas na glândula de feromônio de L. longipalpis, pois foi
levantada a hipótese que os precursores para a síntese do feromônio terpenoides seja o
metabolismo dos lipídeos associado à via do acido mevalônico (Hamilton et al., 1999c;
Spiegel et al., 2011).
18
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo geral
O objetivo desta tese foi caracterizar os genes expressos e proteínas presentes na
glândula do feromônio sexual em machos de Lutzomyia longipalpis
(Diptera:Psychodidae:Phlebotominae).
2.2 Objetivos específicos
2.2.1 Realizar uma análise de sequencias de ESTs da glândula de feromônio sexual de
machos da população de Lapinha de Lutzomyia longipalpis.
2.2.2 Comparar o perfil de transcritos de genes da glândula com outros segmentos
abdominais onde a glândula não está presente;
2.2.3 Descrever o perfil proteômico da glândula de feromônio sexual de machos da
população de Lapinha de Lutzomyia longipalpis
2.2.4 Comparar e correlacionar os resultados obtidos nas análises transcriptomica e
proteômica.
19
3 RESULTADOS
Esta tese é composta por dois artigos, (Capitulo 4), (Capitulo 5) e um trabalho em
colaboração (anexo).
Capitulo 4 – Artigo 1
Gonzalez-Caballero, N., Valenzuela, J., Ribeiro, J. M., Cuervo, P., Brazil, R. P.
Transcriptome exploration of the sex pheromone gland of Lutzomyia longipalpis
(Diptera: Psychodidae: Phlebotominae). Artigo publicado na revista Parasites & Vectors
2013, 6:56 (7 March 2013). Doi 10.1186/1756-3305-6-56
Capitulo 5 – Artigo 2
Gonzalez-Caballero N., Rodriguez A, Lopes G., Carvalho P., Valenzuela, G., Ribeiro, J. M.
Brazil, R. P., Cuervo, P.
Expression of the mevalonate pathway enzymes in the Lutzomyia longipalpis (Diptera:
Psychodidae) sex pheromone gland demonstrated by an integrated proteomic approach.
20
4 CAPITULO 4:
“Exploração do transcriptoma da glândula de feromônio sexual de Lutzomyia longipalpis
(Diptera: Psychodidae: Phlebotominae)”
Gonzalez-Caballero, N. Valenzuela., G. Ribeiro, J. M., Cuervo, P., Brazil, R. P.
Transcriptome exploration of the sex pheromone gland of Lutzomyia longipalpis
(Diptera: Psychodidae: Phlebotominae). Artigo publicado Doi 10.1186/1756-3305-6-56.
Este artigo foi publicado na revista Parasites & Vectors 2013, 6:56 (7 March 2013). Doi
10.1186/1756-3305-6-56 e é referente aos objetivos especificos 2.2.1 e 2.2.2
No presente artigo foi feita a análise de transcritos da glândula de feromônio sexual de
machos da população de Lapinha de L longipalpis. No trabalho também foi realizada uma
comparação dos transcritos obtidos dos tecidos adjacentes. Somente nas sequências obtidas
da glândula de feromônio foram identificados transcritos de enzimas da via do acido
mevalônico, resultado que nos permitiu propô-los como candidatos de participar na via
biosintética do feromônio de L. longipalpis. Além desses resultados, possíveis transcritos de
proteínas encarregadas no transporte de moléculas de odor/feromônios foram identificados
nos três tergitos abdominais analisados.
21
5 CAPITULO 5:
“Expressão das enzimas da via do ácido mevalônico na glândula de feromônio sexual
de Lutzomyia longipalpis (Diptera: Psychodidae) demostrada através de uma abordagem
proteômica integrada”
Gonzalez-Caballero N., Rodriguez A, Lopes G., Carvalho P., Valenzuela, G., Ribeiro, J. M.
Brazil, R. P., Cuervo, P.
Expression of the mevalonate pathway enzymes in the Lutzomyia longipalpis (Diptera:
Psychodidae) sex pheromone gland demonstrated by an integrated proteomic approach.
Os resultados deste manuscrito correspondem aos objetivos específicos 2.2.3 e 2.2.4
O presente trabalho expande a nossa análise para a identificação das proteínas expressas na
glândula de feromônio de machos de L. longipalpis. Através da eletroforese SDS (SDS-
PAGE), cromatografia líquida em linha com espectrometria de massa (LC-MS/MS) e análises
dos dados foi possível realizar a caracterização proteômica da glândula de feromônio. Tendo
em consideração que as sequências do genoma de Lutzomyia longipalpis ainda não estavam
disponíveis no momento desta análise, nós projetamos um fluxo de trabalho alternativo para
pesquisar os espectros de massas contra dois bancos de dados personalizados, utilizando três
motores de busca: MASCOT, OMSSA e ProLuCid. Um total de 542 proteínas foi
caracterizado, 445 delas, usando um banco de dados de proteínas Uniref100-inseto, e 97
usando um banco de dados de sequencias de transcritos traduzidas. Os resultados incluem a
identificação de seis das sete enzimas da via do mevalonato, mais enzimas envolvidas na
biossíntese de sesquiterpeno. Propõe-se que estas proteínas em conjunto podem estar
envolvidas na produção de feromônios neste inseto vetor.
22
6 DISCUSSÃO
Aspectos da comunicação química, especialmente o uso de feromônios nos insetos
permitem o entendimento de muitas questões biológicas e oferecem a oportunidade do
desenvolvimento de estratégias de controle através da manipulação do comportamento
reprodutivo. Dos estudos nesta área, nos insetos em geral, tem-se visto que a evolução
múltipla e independente dos feromônios é ilustrada não só pela diversidade de compostos
produzidos, mas também pela enorme variedade das glândulas secretoras (Wyatt, 2003). No
que diz respeito ao estudo da ecologia química de um inseto de importância médico-
veterinaria como L. longipalpis uma das principais questões a serem respondidas é a de quais
vias metabólicas são utilizados para que o processo biossintético ocorra. Neste sentido
realizamos a caracterização da glândula de feromônio de machos de L. longipalpis através de
análises de transcritos e de proteínas; e por este motivo a discussão que segue foi dividida em
dois tópicos principais.
6.1 Análise de sequencias de ESTs da glândula do feromônio sexual de L. longipalpis
(Diptera: Psychodidae: Phlebotominae)
Com o intuito de obter uma estimativa da complexidade do tecido em termos de
expressão gênica foram isolados e analisados os transcritos obtidos do 4
o
segmento
abdominal (contendo a glândula) que por sua vez foram comparados com aqueles obtidos dos
segmentos abdominais adjacentes (3° e 5°). Esta abordagem nos permitiu inferir as principais
características bioquímicas destes tecidos representados nos produtos gênicos identificados. É
interessante observar que foi necessário sequenciar apenas 1200 cDNAs de cada tecido (3547
cDNAs sequênciados no total) para obter um perfil diferenciado entre eles, o que sugere que
as sequências obtidas foram diversificadas o suficiente para ter uma boa representação dos
transcritos presentes nos três segmentos abdominais. A maior parte das sequências (751)
obtidas dos três tecidos apresentaram similaridade (E-val< 10E-5) com as sequências de
referência depositadas nos bancos de dados consultados, enquanto que 636 contigs
apresentaram baixas ou nenhuma similaridade com as sequências de referência. Este último
grupo de transcritos pode estar representando por proteínas ainda desconhecidas especificas
de L longipalpis ou por outro lado sequências derivadas de regiões menos conservadas de
genes como observado em trabalhos do sialotranscriptoma de Anopheles gambiae (Arcà et
al., 2005). Ou simplesmente sequencias ainda não descritas em nenhum inseto.
23
Após as analises de similaridades, os transcritos foram classificados em grupos
funcionais com as moléculas de referência dos bancos de dados de proteínas não redundante
do NCBI, do Gene Ontology e dos bancos de dados de domínios conservados (CDD).
No 4
o
segmento abdominal os transcritos mais abundantes, em relação aos obtidos nos
segmentos vizinhos, foram aqueles agrupados nas categorias funcionais de síntese de
proteínas e metabolismo energético. Resultado interessante, considerando que uma maior
produção de proteínas na glândula de feromônio poderia estar relacionada com a expressão
da maquinaria biossintética do feromônio o que implicaria um consequente maior consumo
de energia neste segmento. Um padrão semelhante observou-se para os transcritos associados
ao metabolismo lipídico, apesar de que a diferença foi estatisticamente significativa apenas
entre os segmentos numero 4 e 5. A importância dos lipídios nos insetos é conhecida por
constituírem substratos essências para o desenvolvimento de diferentes aspectos na vida dos
insetos (Canavoso et al., 2001). Parte da versatilidade destas moléculas tem sido reconhecida
por estarem vinculadas a reprodução, embriogênese, metamorfose e o vôo (revisto por
Beenakkers et al., 1985; e por Arrese & Soulages, 2010). O metabolismo lipídico
diferencialmente ativo no quarto segmento abdominal de L. longipalpis, é condizente com a
observação das numerosas inclusões lipídicas e a abundancia de mitocôndrias nas células
glandulares observadas através de estudos de ultraestrutura do mesmo tecido (Spiegel et al.,
2002, Spiegel et al., 2011).
Transcritos associados a processos de oxidação/detoxificação também foram
identificados em maior numero no quarto segmento abdominal em relação os restantes
segmentos. Nesta classificação funcional encontram-se agrupados as sequências associadas às
enzimas da via do ácido mevalônico obtidas apenas do 4° segmento abdominal (contendo a
glândula feromônio). Ditas moléculas foram agrupadas em 10 contigs representando 4 das 7
enzimas da via.
Da mesma forma, entre as sequências agrupadas segundo a similaridade das proteínas
relacionadas ao metabolismo intermediário foram identificadas aquelas similares aos
transcritos da enzima farnesil difosfato sintase (FPPS) e da farnesol desidrogenase
dependente do cofactor NADP+. Todos estes transcritos associados à produção de compostos
isoprenóides foram encontrados unicamente no 4°segmento abdominal o que não é
surpreendente, pois o sitio onde ocorre a produção de compostos terpenóides ativa os genes
da via do acido mevalônico (Hojo et al., 2012; Keeling et al., 2012; Keeling et al., 2004).
24
Deste grupo de transcritos destacam-se as sequências potencialmente codificadoras da enzima
3-hidroxi-3-metilglutaril Co A redutase (HMG-Rs). Tais moléculas, agrupadas em 2 contigs,
apresentaram similaridade com as sequências descritas em outros dípteros como Aedes
aegypti (Nene et al., 2007). A enzima HMG-R é considerada a reguladora da via do acido
mevalonônico, já que catalisa o passo limitante da velocidade da síntese dos compostos
isoprenóides (Bochar et al., 1999). A expressão diferenciada do gene que codifica esta
enzima e, a sua associação com a produção de feromônios terpenóides, tem sido relatada em
varias espécies de insetos coleópteros como Anthonomus grandis (Taban et al., 2006), Ips
paraconfusus (Ivarsson et al., 1998), Ips pini (Hall et al., 2002a) e Dendroctonus jeffreyi
(Hall et al., 2002b, Nardi et al., 2002). Além disso, em estudos utilizando compactin,
composto químico que inibe a ação da HMG-R, Ivarson e colaboradores (1993) apresentaram
evidências da importância desta enzima na produção de novo dos alcoóis monoterpenóides:
ipsdienol e myrcenol, que são os feromônios produzidos pelos coleópteros machos da espécie
Ips diplicatus.
No que diz respeito às restantes enzimas da via, destaca-se a isopentenil difosfato delta
isomerase (IDI), cujos transcritos foram separadas em dois grupos através da nossa analise
filogenética, indicando uma possível ocorrência de isoformas da enzima na glândula de
feromônio. Esta enzima catalisa a isomerização dos compostos de 5 carbonos (5C)
isopentenil difosfato (IPP) e dimetilalil difosfato (DMAPP) que são os precursores dos
compostos isoprenóides (Cane, 1999).
Após a via do acido mevalônico, IPP e DMAPP são condensados pela ação da enzima
geranil difosfato sintasa (GPPS) no composto (10C) geranil difosfato (GPP) para a produção
de compostos monoterpenóides. A condensação adicional dos precursores (5C) no GPP é
catalisada pela enzima farnesil difosfato sintase (FPPS) para a formação do farnesil difosfato
que é o precursor dos sesquiterpenos (15C). Outra adição de um composto (5C) e catalisada
pela enzima geranilgeranil difosfato sintase (GGPPS) para a formação do geranilgeranil
difosfato (20C), precursor de compostos diterpenos (revisto em Blomquist et al., 2010). Nos
nossos dados foram identificados transcritos relacionados à enzima FPPS, mas, nenhum
transcrito associado à enzima GPPS, o que poderia indicar que FPPS possa estar envolvida na
síntese dos dois compostos, GPP e FPP. Esta dupla atividade da enzima FPPS já tem sido
proposta em estudos realizados com outros insetos (Lewis et al., 2008; Taban et al., 2009;
Vandermoten et al., 2009b; Ma et al., 2010). Desde a primeira identificação da FPPS no
25
lepidóptero Agrotis ipsilon (Castillo‐Gracia & Couillaud, 1999) as pesquisas desta enzima
têm sido realizadas em outras espécies (Kikuchi et al., 2001; Kinjoh et al., 2007; Cusson et
al., 2006) e estendidas a insetos de ordens como Coleóptera (Taban et al., 2009), Hemiptera
(Lewis et al., 2008; Ma et al., 2010; Zhang & Li, 2012) e Díptera (Sen et al., 2007). Embora
tais evidências tenham sido mais frequentemente associadas com a biossíntese do hormônio
juvenil, representações destas enzimas também foram implicadas na produção de feromônios
terpenóides em alguns insetos (Lewis et al., 2008; Taban et al., 2009; Keeling et al., 2012).
Alem da FPPS, sequências similares aos transcritos da oxidoreductase, farnesol
desidrogenase dependente de NADP
+
, também foram achados. Esta enzima foi caracterizada
como responsável da oxidação do farnesol a farnesal atividade associada à síntese do
hormônio juvenil no corpus allatum do inseto Aedes aegypti (Mayoral et al., 2009).
Contudo, as identificações das enzimas pertencentes à via do acido mevalônico foram
facilitadas pela conservação da via do acido mevalônico entre insetos e vertebrados (Bellés et
al., 2005). No entanto, tal característica não é observada nos últimos passos da produção dos
compostos isoprenóides que envolvem várias vias que conduzem a diferentes produtos finais.
Com exceção do hormônio juvenil (revisto em Jurenka, 2004), há pouca informação
disponível sobre a biossíntese de compostos sesquiterpenóides cíclicos ou compostos
homosesquiterpenóides em insetos. Neste contexto, o grupo de sequências obtidas a partir do
4° segmento que não foram classificáveis neste trabalho pela baixa similaridade com as
sequências de referências, constitui uma fonte de dados interessante para futuras pesquisas
das moléculas potencialmente associadas para a produção de (S)-9- methylgermacreno B.
Das sequências que apresentaram peptídeos sinais, que é uma indicação de secreção
potencial, foi identificado um conjunto de moléculas com domínios preditos de proteínas
ligantes de odores (OBP). Nos insetos, as proteínas desta família são ubíquas e estão
especializadas no transporte de pequenos ligantes hidrofóbicos através de meios aquosos
(Hekmat-Scafe et al., 2000). Outro grupo interessante de transcritos foram aqueles com
elevado grau de semelhança às sequências de proteínas OS-D, ou proteínas de apêndices
sensoriais (SAPs), referidas deste modo em base a sua associação com os órgãos sensoriais
descritos em insetos (Wanner et al., 2004). Tendo em conta que tais proteínas são altamente
conservadas entre as espécies, a identificação destes transcritos nos levou a considerar a
possibilidade de que proteínas da família OS-D poderiam estar facilitando o transporte de
feromônios entre a glândula e o ambiente externo, como foi visto em alguns lepidópteros
26
(Dani et al., 2011; Zhou et al., 2006). Transcritos de proteínas de ligação ao hormônio juvenil
da hemolinfa (JHBP) também foram identificados. Por analogia ao papel do hormônio juvenil
(JH) na regulação da produção de feromônio nos besouros, baratas e alguns lepidopteros
(Tillman et al., 1998; Tillman et al., 1999; Rafaeli & Jurenka, 2003; Jurenka, 2004) uma
possível expressão de JHBP nos tecidos aqui estudados pode indicar uma função semelhante
em L. longipalpis. No entanto, também é possível que, devido à semelhança da estrutura
química entre o JH e os feromônio 9-metilgermacrene-B de Lu longipalpis, as proteinas
JHBP possam estar ligando tanto JH como o feromônio.
No que diz respeito aos transcritos relacionados à maquinaria de
detoxificação/oxidação foram identifcados aqueles associados à enzima citocromo P450
monoxigenases (CYP), glutationa S-transferases (GSTs) e a epóxido hidrolase do hormônio
juvenil (JHEH). O citocromo P450 é um grupo grande e diverso de enzimas (heme-proteínas)
que estão envolvidas na biotransformação e metabolização de uma vasta gama de compostos
endógenos e exógenos. Em insetos, estas proteínas são expressas em quase todos os tecidos
(Feyereisen, 1999) atuando na metabolização de substâncias exógenas ou participando na
biossíntese e degradação do hormônio juvenil, feromônios e ecdisteróides (Berenbaum, 2002;
Schuler, 1996; Wen et al., 2003). No nosso trabalho os transcritos de CYP mais abundantes
foram os pertencentes à família CYP4. Similarmente a abundancia de transcritos de proteínas
citocromo P450, famílias CYP4 e CYP3 também foi recentemente descrita no transcriptoma
de diferentes tecidos no inseto Dendroctonus ponderosae, incluindo o sitio de produção do
feromônio terpenoide (Keeling et al., 2012.). Em relação às sequências relacionadas à
glutationa S-transferases identificadas no nosso trabalho, estas apresentaram alta similaridade
com aquelas previamente encontradas em fêmeas de L. longipalpis (Dillon et al., 2006).
Além do seu papel no processo de desintoxicação, especialmente em insectos fitófagos
(Wadleigh & Yu, 1987), as glutatione S transferases também têm sido associadas à
degradação de odores em insetos (Robertson et al., 1999). As proteínas epóxido hidrolases do
hormônio juvenil (JHEH) juntamente com as esterases do hormônio juvenil (JHE) são
reconhecidas por desempenharem um papel na degradação do hormônio juvenil. É possível
que a expressão desta proteína nos tecidos aqui estudados possa estar vinculada tanto à
degradação de moléculas de JHs presentes na glândula ou por outro lado na degradação dos
feromônios produzidos. Esta última função é sugerida em base à semelhança química
observada entre o 9-metilgermacreno-B com o hormônio juvenil mencionado anteriormente.
27
6.2 Expressão das enzimas da via do ácido mevalônico na glândula de feromônio
sexual de L. longipalpis (Diptera: Psychodidae) demostrada através de uma
abordagem proteômica integrada”
A elucidação da biossíntese do feromônio, ou dos mecanismos reguladores deste
processo, podem permitir estratégias moleculares que resultem na interrupção do
acasalamento e, consequentemente, o manejo das populações de L. longipalpis. Por exemplo,
Chertemps e colaboradores (2006) demonstraram recentemente uma alteração no
comportamento de corte e do acasalamento em Drosophila melanogaster após o uso de RNA
interferência para os genes envolvidos na produção de feromônio de contato. Neste sentido a
descrição do perfil de proteínas expressos na glândula de feromônio representa o primeiro
passo na compreensão do processo de biossíntese que ocorre neste tecido especializado.
Motivados pelos resultados obtidos na caracterização transcriptômica da glândula foi
realizada uma análise proteômica do mesmo tecido. Numa espécie cujas sequências do
genoma encontram-se disponíveis, a identificação dos dados do proteoma é realizada com
base nas buscas contra as sequências anotadas. No entanto, levando em consideração que as
sequências do genoma de L. longipalpis ainda não estavam disponíveis no momento desta
analise, além disso, dados relacionados com a expressão de genes de glândulas de feromônio
de outros insetos também são escassos, nós projetamos um fluxo de trabalho alternativo para
lidar com estes obstáculos. Os espectros MS/MS obtidos foram investigados através do banco
de dados que inclui sequências disponíveis para a classe Insecta no banco de dados no
redundante UniRef100 da UniProt utilizando três motores de busca (OMSSA, ProLuCID e
MASCOT). A base de dados escolhida foi a Insecta UniRef100 pois contém clusters de
sequências de referência não redundantes de todas as espécies de insetos depositados no
UniProt, totalizando 592.178 entradas (obtida em outubro de 2012). Com esta estratégia
procurou-se em espaço de busca grande o suficiente para permitir a identificação por
semelhança de proteínas de L. longipalpis, mas também estreito o suficiente para diminuir
tanto os falsos positivos como o tempo investido nas buscas. Alem disso, e a fim de
enriquecer nossas identificações, o motor de busca ProLuCID também foi usado para analisar
os dados de MS/MS contra nossa própria base de dados obtida dos transcritos traduzidos da
glândula de feromônio (1387 sequências traduzidas). Observou-se que as duas abordagens
mostraram diferentes porções do proteoma com alguma sobreposição entre elas. A busca no
banco de dados Insecta (Uniref 100) produziu um maior número de identificações do que
aquela utilizando a base de dados do transctiptoma da glândula. Como os dados do
28
transcriptoma podem conter abundantes sequências curtas e considerando que o nosso critério
de identificação foi de no mínimo dois peptídeos, possivelmente muitas identificações por
correspondência em um único peptídeo foram descartados o que poderia explicar o baixo
número de identificações. No entanto, a investigação usando os transcritos traduzidos
permitiu a anotação de proteínas de L. longipalpis que não estão presentes no banco de dados
de proteínas Insecta (Uniref100).
O conhecimento sobre a expressão de proteínas de L. longipalpis ainda é muito
limitado. Apenas 665 entradas de proteínas (não revisadas) de Lutzomyia spp estavam
disponíveis no banco de dados Uniref100 quando foi realizado este estudo. Dessas, somente
15 entradas contribuíram para a identificação de proteínas da glândula. O fluxo de trabalho
utilizado aqui para caracterização proteômica da glândula de feromônio nos permitiu anotar
515 novas proteínas para esta espécie (515/530). A busca no banco de dados das sequencias
derivadas dos transcritos da glândula gerado anteriormente pelo nosso grupo contribuiu com
uma fração de 16% (85/530) das identificações de proteínas.
Seis das sete enzimas da via do ácido mevalônico foram identificadas através desta
análise proteômica assim como as enzimas envolvidas na biossíntese do esqueleto dos
compostos sesquiterpenóides e aquelas proteínas que têm sido associadas com o possível
metabolismo de moléculas de odor/feromônio previamente identificadas por nosso grupo
(Gonzalez-Caballero et al., 2013). Através de pesquisas no banco de dados STRING (Jensen
et al., 2009; Szklarczyk et al., 2011), utilizado para analises apenas deste segundo artigo, foi
possível também realizar associações funcionais in silico, das proteínas identificadas. Tendo
confirmada a expressão das enzimas do acido mevalônico na glândula agora podemos usar
uma variedade de ferramentas bioquímicas, genéticas e comportamentais para investigar a
sua correlação com a biossíntese de feromônios.
Em estudos com L. cruzi, que é considerada mais uma espécie do complexo
Longipalpis (Brazil & Hamilton, 2002, Vigoder et al., 2010; Araki et al., 2009), e com L.
longipalpis, numerosas inclusões lipídicas foram descritas por meio de uma de análise por
microscopia eletrônica de transmissão da glândula de feromônio. A presença de tais
estruturas sugeriram um possível papel dos lipídeos na síntese de feromônio como fonte de
precursores de acetil-CoA, (Spiegel et al., 2002; Spiegel et al., 2004; Spiegel et al., 2011).
Neste sentido é interessante destacar que na nossa análise foram também identificadas
diversas proteínas candidatas a estarem potencialmente envolvidas no metabolismo lipídico
29
tais como a 3 cetoacil coenzima A tiolase, acil coenzima A oxidase, acil coenzima A
desidrogenase, hidroxi acil coenzima A desidrogenase, 2-hidroxi acil-CoA-liase 1, acetil-
coenzima A carboxilase, ácido graxo sintase, ácido graxo sintase S-acetil-desidrogenase de
cadeia curta, entre outros. Também foi identificada a enzima acetil coenzima A sintetase, que
sintetiza acetil-CoA a partir de acetato, trifosfato de adenosina, e coenzima A através do
composto acetil-monofosfato de adenosina (AMP) como intermédio (Millerd & Bonner,
1954; Starai et al., 2002). Com a proximidade do corpo gorduroso das células glandulares
(Spiegel et al., 2011), pode ser que este tecido seja a fonte dos precursores para a síntese de
feromônio, na forma de triglicerídeos. Tais precursores estariam armazenados nas inclusões
lipídicas, como observado em lepidópteros (Matsumoto et al., 2002; Fónagy et al., 2001). Por
outro lado, estudos adicionais podem ajudar a explorar outras funções dessas inclusões
lipídicas nas células produtoras de feromônio de L. longipalpis, tais como possíveis depósitos
para o armazenamento de proteínas conforme observado em Drosophila (Cermelli et al.,
2006).
O (S)-9-metillgermacreno-B, assim como 3-metilhimacaleno, que são os feromônios
homosesquiterpenóides (16C) de duas populações de L. longipalpis, têm uma estrutura
química ramificada muito semelhante a aquelas observadas no faranal, o feromônio de alarme
da formiga Monomorium pharaoni (Ritter et al., 1977), e aos hormônios juvenis (JH) JH I e
II, descritos em lepidópteros (Meyer et al., 1968; Meyer et al., 1970). Com base no
conhecimento sobre a rota de biossíntese destes compostos homoterpenóides naturais, a
produção dos feromônios de L. longipalpis possivelmente requer moléculas derivadas do
homomevalonato tais como a 2E,6E,8S-8-metilfarnesol proposto por Tashiro e colaboradores
(2000). Como demonstrado por Schooley e colaboradores (1973) o homomevalonato pode ser
obtido pela condensação do ácido propanoico no lugar do ácido acético na clássica via do
acido mevalônico. Seguidamente os derivados avançam através desta via para produzir
homofarnesil difosfato para finalmente gerar compostos homoterpenóides (Francke & Schulz,
1999). Assim, a especificidade de substrato para as preniltransferases que ocorrem nas
glândulas de feromônio de diversas populações de L. longipalpis e a ciclização dos produtos
nas reações finais para a biossíntese de feromônios representam assuntos interessantes para
futuros estudos.
30
Considerações finais
Nosso trabalho demonstrou a expressão das enzimas da via do ácido mevalônico na
glândula de feromônio de L. longipalpis: tiolases, 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A
sintase (HMG-CoAS), 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A reductase (HMG-CoAR),
mevalonate kinase, fosfomevalonate quinase e isopentenil delta isomerase na glândula de
feromônio. Além destas enzimas também foi possível obter evidencias de expressão dos
genes envolvidos na produção de compostos sesquiterpenoides como a farnesil difosfato
sintase e a farnesol desidrogenase dependente do cofactor NADP+. Nossos resultados
reforçam a hipótese da possível participação do ciclo do ácido mevalônico e das enzimas
preniltransferases na biossíntese dos feromônios em L. longipalpis. Pesquisas relacionados
aos processos de regulação da expressão destas proteínas se fazem necessários para que
estratégias de manipulação genética sejam empregadas. Por outro lado, estudos mas amplos
envolvendo outras populações do complexo Longipalpis também se fazem necessárias para
tentar correlacionar a produção de feromônios sob o ponto de vista evolutivo com a
especiação incipiente dos membros de complexo (Araki et al., 2009).
31
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