A maior parte dos insetos possui uma estrutura anatômica em forma de filme (membrana peritrófica, MP) composta de quitina e proteínas (peritrofinas), que separa o alimento do epitélio do intestino médio. A MP protege o epitélio de microorganismos e da abrasão, e possui outras funções baseadas no fato de que a MP promove a compartimentalização de enzimas, que incluem: aumento da eficiência digestiva através da diminuição da taxa de excreção das enzimas e de outros mecanismos postulados que são testados nesta tese. A síntese das peritrofinas é mais conhecida do que a da quitina componente da MP, tornando desejável um esforço no detalhamento dessa última. Foram realizadas a caracterização e expressão de genes de S. frugiperda que codificam uma peritrofina e enzimas responsáveis pela síntese e degradação de quitina (quitina sintases 1 (SfCHS1) e 2 (SfCHS2), e quitinase (SfCHI), respectivamente). As sequências dos cDNAs correspondentes foram determinadas através da amplificação de fragmentos de PCR que se sobrepõem. Os padrões de expressão dos genes envolvidos no metabolismo da quitina da MP foram analisados durante o desenvolvimento do inseto por RT-PCR. SfCHS2 é expresso no intestino médio durante os estágios de alimentação da larva, enquanto que SfCHI é expresso durante as fases de pós-alimentação, pré-pupa, e pupa. Ambos os genes são predominantemente expressos na região anterior no intestino médio com um gradiente decrescente de expressão ao longo do tubo digestivo. A citolocalização da quitina revelou que o polissacarídeo está presente somente quando SfCHS2 é expresso e não há quitina no intestino médio quando SfCHI é expresso. Esses resultados levaram a formulação da hipótese de que SfCHS2 é responsável pela síntese da quitina da MP durante o estágio larval e SfCHI degrada a quitina da MP durante a muda larva-pupa, sugerindo padrões inversos de expressão desses genes. Em Spodoptera frugiperda, Tenebrio molitor e Musca domestica é possível prever o sítio de secreção das enzimas digestivas (ventrículo anterior, médio ou posterior) a partir da distribuição antero-posterior das enzimas no espaço endoperitrófico. Também foi possível mostrar, usando vários modelos experimentais, que a separação de compartimentos luminais pela MP: a) impede a inibição de despolimerazes por remover oligômeros do espaço endoperitrófico; b) evita a inibição de oligômero hidrolases restringindo-as ao espaço ectoperitrófico e impedindo que entrem em contato com o alimento e c) anula a inibição de enzimas envolvidas na digestão terminal presentes na superfície do epitélio, impedindo que o alimento entre em contato com elas. / Most insects have a film-like anatomical structure (peritrophic membrane, PM) composed of chitin and proteins (peritrophins), which separates food from midgut tissue. It protects the epithelium against food abrasion and microrganisms and has other functions based on compartmentalization of enzymes, which include: increasing digestive efficiency by decreasing enzyme excretion and by other mechanisms that were tested in this thesis. The peritrophin synthesis is less known than PM chitin synthesis, which needs to be better understood. The characterization and expression of S. frugiperda genes encoding a peritrophin and enzymes responsible for the synthesis and degradation of chitin, chitin synthases 1(SfCHS1) and 2 (SfCHS2), and chitinase (SfCHI), respectively, were analysed. Sequences of corresponding cDNAs were determined by amplification of overlapping PCR fragments and the expression patterns of chitin metabolism genes were analyzed during insect development by RT-PCR. SfCHS2 is expressed in the midgut during the feeding stages, whereas SfCHI is expressed during the wandering and pupal stages. Both genes are predominantly expressed in the anterior portion of the midgut with a decreasing gradient of transcript levels in the medial and posterior portions. Chitin staining revealed that the polysaccharide is present in the PM only when SfCHS2 is expressed. There is little or no chitin in the midgut when SfCHI is expressed. These results support the hypothesis that SfCHS2 is responsible for PM chitin synthesis during the larval stage and SfCHI for PM chitin degradation during larval-pupal molting, suggesting inverse patterns of expression of these genes. The secretion site (anterior, middle or posterior midgut) of digestive enzymes can be predicted in Spodoptera frugiperda, Tenebrio molitor and Musca domestica based on enzyme activity distribution along the endoperitrophic space. We also have shown, using several experimental models, that the luminal compartment separation by PM: a) avoid the polimer hidrolases inhibition by removing oligomer from endoperitrophic space; b) decrease the oligomer hidrolases inhibition by restricting them to the ectoperitrophic space (by avoiding their contact with food); and c) block the inhibition of enzymes located at the cell surface involved in terminal digestion by avoiding their contact with food.

Os insetos possuem uma película que reveste o intestino médio (membrana peritrófica, MP), que é composta por quitina e proteínas (peritrofinas). Além de possuir as funções de proteção contra abrasão causada pela comida e contra microrganismos, a MP possui algumas funções específicas que dependem do fato de que essa estrutura compartimentaliza o lúmen do intestino médio em duas regiões denominadas espaço endoperitrófico e espaço ectoperitrófico. As funções específicas da MP são baseadas em evidências indiretas e incluem o impedimento da ligação não específica de comida na superfície celular, o decréscimo na excreção das enzimas digestivas através da sua reciclagem e, em insetos mais evoluídos, o impedimento de oligômero- e dímero-hidrolases de penetrarem no espaço endoperitrófico. As proteínas da membrana microvilar intestinal e uma peritrofina (proteína da membrana peritrófica) de Spodoptera frugiperda foram isoladas e utilizadas para a produção de anticorpos em coelho. Esses anticorpos, juntamente com um anticorpo anti-amilase de Tenebrio molitor (que reconhece as amilases de S. frugiperda), foram utilizados em estudos de imunocitolocalização realizados com a ajuda de anticorpos secundários acoplados a uma proteína fluorescente ou a partículas de ouro coloidal. Os resultados mostraram que a peritrofina de S. frugiperda é secretada pelas células colunares da região anterior do intestino médio através de vesículas que se destacam das microvilosidades (secreção microapócrina). As vesículas com dupla membrana (uma da própria vesícula e a outra da microvilosidade) tornam-se vesículas com membrana simples através da fusão entre membranas e, nesse processo, a peritrofina e parte da amilase e tripsina são liberadas. As membranas remanescentes das vesículas, ainda contendo proteínas microvilares, amilase e tripsina ligadas, são incorporadas a um material com consistência de gel que forma parte da MP. Larvas alimentadas com calcoflúor tiveram a sua MP desestruturada e, em razão disso, perderam o gradiente decrescente antero-posterior de tripsina e quimotripsina observado ao longo do intestino médio das larvas controle. Esse gradiente é presumivelmente formado por um contrafluxo de fluidos (no espaço entre a MP e o epitélio) que permite a reciclagem de enzimas. / Insects have a film-like anatomical structure (peritrophic membrane, PM) which lines the midgut. It is composed of chitin and proteins (peritrophins). Besides the functions of protection against food abrasion and microrganisms, PM has specific functions that depend on the fact that this structure compartimentalizes the midgut lumen into an endoperitrophic and an ectoperitrophic space. Knowledge on these specific functions are based only in indirect evidence and include: prevention of non-specific food binding onto cell surface; prevention of enzyme excretion by allowing enzyme recycling and restriction of oligomer hydrolases to ectoperitrophic space. A peritrophin from Spodoptera frugiperda PM, as well as microvillar proteins from S. frugiperda anterior midgut, were isolated and used to raise antibodies in a rabbit. These antibodies, a Tenebrio molitor anti-amylase antibody that cross-reacts with S. frugiperda amylases, and wheat-germ aglutinin were used in immunolocalization experiments performed with the aid of confocal fluorescence and immunogold techniques. The results showed that the peritrophin is secreted by anterior midgut columnar cells in vesicles that pinched-off the microvilli (microapocrine secretion). The resulting double membrane vesicles become single membrane vesicles by membrane fusion, releasing peritrophin and part of the amylase and trypsin. The remaining vesicle membranes (still containing microvillar proteins and membrane-bound amylase and trypsin) are incorpored into a jelly-like material associated with PM. Calcofluor-treated larvae lacking a PM were shown to lose the trypsin and chymotrypsin decreasing gradient observed along the midgut of control larvae. This gradient is thought to be formed by a countercurrent flux of fluid (in the space between PM and midgut cells) that powers enzyme recycling.

A maior parte dos insetos possui uma estrutura anatômica em forma de filme (membrana peritrófica, MP) composta de quitina e proteínas (peritrofinas), que separa o alimento do epitélio do intestino médio. A MP protege o epitélio de microorganismos e da abrasão, e possui outras funções baseadas no fato de que a MP promove a compartimentalização de enzimas, que incluem: aumento da eficiência digestiva através da diminuição da taxa de excreção das enzimas e de outros mecanismos postulados que são testados nesta tese. A síntese das peritrofinas é mais conhecida do que a da quitina componente da MP, tornando desejável um esforço no detalhamento dessa última. Foram realizadas a caracterização e expressão de genes de S. frugiperda que codificam uma peritrofina e enzimas responsáveis pela síntese e degradação de quitina (quitina sintases 1 (SfCHS1) e 2 (SfCHS2), e quitinase (SfCHI), respectivamente). As sequências dos cDNAs correspondentes foram determinadas através da amplificação de fragmentos de PCR que se sobrepõem. Os padrões de expressão dos genes envolvidos no metabolismo da quitina da MP foram analisados durante o desenvolvimento do inseto por RT-PCR. SfCHS2 é expresso no intestino médio durante os estágios de alimentação da larva, enquanto que SfCHI é expresso durante as fases de pós-alimentação, pré-pupa, e pupa. Ambos os genes são predominantemente expressos na região anterior no intestino médio com um gradiente decrescente de expressão ao longo do tubo digestivo. A citolocalização da quitina revelou que o polissacarídeo está presente somente quando SfCHS2 é expresso e não há quitina no intestino médio quando SfCHI é expresso. Esses resultados levaram a formulação da hipótese de que SfCHS2 é responsável pela síntese da quitina da MP durante o estágio larval e SfCHI degrada a quitina da MP durante a muda larva-pupa, sugerindo padrões inversos de expressão desses genes. Em Spodoptera frugiperda, Tenebrio molitor e Musca domestica é possível prever o sítio de secreção das enzimas digestivas (ventrículo anterior, médio ou posterior) a partir da distribuição antero-posterior das enzimas no espaço endoperitrófico. Também foi possível mostrar, usando vários modelos experimentais, que a separação de compartimentos luminais pela MP: a) impede a inibição de despolimerazes por remover oligômeros do espaço endoperitrófico; b) evita a inibição de oligômero hidrolases restringindo-as ao espaço ectoperitrófico e impedindo que entrem em contato com o alimento e c) anula a inibição de enzimas envolvidas na digestão terminal presentes na superfície do epitélio, impedindo que o alimento entre em contato com elas. / Most insects have a film-like anatomical structure (peritrophic membrane, PM) composed of chitin and proteins (peritrophins), which separates food from midgut tissue. It protects the epithelium against food abrasion and microrganisms and has other functions based on compartmentalization of enzymes, which include: increasing digestive efficiency by decreasing enzyme excretion and by other mechanisms that were tested in this thesis. The peritrophin synthesis is less known than PM chitin synthesis, which needs to be better understood. The characterization and expression of S. frugiperda genes encoding a peritrophin and enzymes responsible for the synthesis and degradation of chitin, chitin synthases 1(SfCHS1) and 2 (SfCHS2), and chitinase (SfCHI), respectively, were analysed. Sequences of corresponding cDNAs were determined by amplification of overlapping PCR fragments and the expression patterns of chitin metabolism genes were analyzed during insect development by RT-PCR. SfCHS2 is expressed in the midgut during the feeding stages, whereas SfCHI is expressed during the wandering and pupal stages. Both genes are predominantly expressed in the anterior portion of the midgut with a decreasing gradient of transcript levels in the medial and posterior portions. Chitin staining revealed that the polysaccharide is present in the PM only when SfCHS2 is expressed. There is little or no chitin in the midgut when SfCHI is expressed. These results support the hypothesis that SfCHS2 is responsible for PM chitin synthesis during the larval stage and SfCHI for PM chitin degradation during larval-pupal molting, suggesting inverse patterns of expression of these genes. The secretion site (anterior, middle or posterior midgut) of digestive enzymes can be predicted in Spodoptera frugiperda, Tenebrio molitor and Musca domestica based on enzyme activity distribution along the endoperitrophic space. We also have shown, using several experimental models, that the luminal compartment separation by PM: a) avoid the polimer hidrolases inhibition by removing oligomer from endoperitrophic space; b) decrease the oligomer hidrolases inhibition by restricting them to the ectoperitrophic space (by avoiding their contact with food); and c) block the inhibition of enzymes located at the cell surface involved in terminal digestion by avoiding their contact with food.

Os insetos possuem uma película que reveste o intestino médio (membrana peritrófica, MP), que é composta por quitina e proteínas (peritrofinas). Além de possuir as funções de proteção contra abrasão causada pela comida e contra microrganismos, a MP possui algumas funções específicas que dependem do fato de que essa estrutura compartimentaliza o lúmen do intestino médio em duas regiões denominadas espaço endoperitrófico e espaço ectoperitrófico. As funções específicas da MP são baseadas em evidências indiretas e incluem o impedimento da ligação não específica de comida na superfície celular, o decréscimo na excreção das enzimas digestivas através da sua reciclagem e, em insetos mais evoluídos, o impedimento de oligômero- e dímero-hidrolases de penetrarem no espaço endoperitrófico. As proteínas da membrana microvilar intestinal e uma peritrofina (proteína da membrana peritrófica) de Spodoptera frugiperda foram isoladas e utilizadas para a produção de anticorpos em coelho. Esses anticorpos, juntamente com um anticorpo anti-amilase de Tenebrio molitor (que reconhece as amilases de S. frugiperda), foram utilizados em estudos de imunocitolocalização realizados com a ajuda de anticorpos secundários acoplados a uma proteína fluorescente ou a partículas de ouro coloidal. Os resultados mostraram que a peritrofina de S. frugiperda é secretada pelas células colunares da região anterior do intestino médio através de vesículas que se destacam das microvilosidades (secreção microapócrina). As vesículas com dupla membrana (uma da própria vesícula e a outra da microvilosidade) tornam-se vesículas com membrana simples através da fusão entre membranas e, nesse processo, a peritrofina e parte da amilase e tripsina são liberadas. As membranas remanescentes das vesículas, ainda contendo proteínas microvilares, amilase e tripsina ligadas, são incorporadas a um material com consistência de gel que forma parte da MP. Larvas alimentadas com calcoflúor tiveram a sua MP desestruturada e, em razão disso, perderam o gradiente decrescente antero-posterior de tripsina e quimotripsina observado ao longo do intestino médio das larvas controle. Esse gradiente é presumivelmente formado por um contrafluxo de fluidos (no espaço entre a MP e o epitélio) que permite a reciclagem de enzimas. / Insects have a film-like anatomical structure (peritrophic membrane, PM) which lines the midgut. It is composed of chitin and proteins (peritrophins). Besides the functions of protection against food abrasion and microrganisms, PM has specific functions that depend on the fact that this structure compartimentalizes the midgut lumen into an endoperitrophic and an ectoperitrophic space. Knowledge on these specific functions are based only in indirect evidence and include: prevention of non-specific food binding onto cell surface; prevention of enzyme excretion by allowing enzyme recycling and restriction of oligomer hydrolases to ectoperitrophic space. A peritrophin from Spodoptera frugiperda PM, as well as microvillar proteins from S. frugiperda anterior midgut, were isolated and used to raise antibodies in a rabbit. These antibodies, a Tenebrio molitor anti-amylase antibody that cross-reacts with S. frugiperda amylases, and wheat-germ aglutinin were used in immunolocalization experiments performed with the aid of confocal fluorescence and immunogold techniques. The results showed that the peritrophin is secreted by anterior midgut columnar cells in vesicles that pinched-off the microvilli (microapocrine secretion). The resulting double membrane vesicles become single membrane vesicles by membrane fusion, releasing peritrophin and part of the amylase and trypsin. The remaining vesicle membranes (still containing microvillar proteins and membrane-bound amylase and trypsin) are incorpored into a jelly-like material associated with PM. Calcofluor-treated larvae lacking a PM were shown to lose the trypsin and chymotrypsin decreasing gradient observed along the midgut of control larvae. This gradient is thought to be formed by a countercurrent flux of fluid (in the space between PM and midgut cells) that powers enzyme recycling.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-03-21T11:45:18Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1176471 bytes, checksum: 070e4cf7c2176f1dece9bc1c70cfe745 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-21T11:45:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1176471 bytes, checksum: 070e4cf7c2176f1dece9bc1c70cfe745 (MD5) Previous issue date: 2003-07-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho identificou os sítios de síntese da membrana peritrófica larvas da abelha Melipona quadrifasciata anthidioides (Lepeletier) (Hymenoptera, Meliponini). Para isto uma peritrofina de larvas de 4o instar foi isolada e usada para produzir anticorpo policlonal em camundongos. Os anticorpos foram utilizados em experimentos para imunolocalizações desta peritrofina na membrana peritrófica e no ventrículo através de técnicas de imunohistoquímica e imunocitoquímica com o auxílio de microscopia de luz e eletrônica. Foi realizado também um experimento para detecção de quitina na composição química da membrana peritrófica de larvas através da técnica WGA/FITC. Os resultados mostraram que a membrana peritrófica de larvas de 4o instar possui o aspecto de um filme peritrófico, entretanto apresentando um material gelatinoso sobre sua superfície externa. Quanto à imunolocalização da peritrofina no ventrículo de larvas pôde-se evidenciar que a mesma é secretada através das microvilosidades das células epiteliais ao longo de todo o ventrículo, porém sendo a porção anterior deste órgão o principal sítio de produção. Os mesmos experimentos acima foram realizados com ventrículos de abelhas adultas, mas os resultados foram negativos em relação à reação antígeno-anticorpo anti-peritrofina. Os resultados obtidos na detecção de quitina foram positivos somente na membrana peritrófica, pois este polissacarídeo no interior da célula possui constituição diferente daquela após ser secretado. Finalmente, considerando a presença da peritrofina em todo o epitélio ventricular, conclui-se que a membrana peritrófica em larvas de Melipona quadrifasciata anthidioides corresponde ao tipo-I. / This work identified the synthesis sites of the peritrophic membrane in larvae of the stingless bee Melipona quadrifasciata anthidioides (Lepeletier) (Hymenoptera, Meliponini). A peritrophin from 4th instar larvae was isolated and used to produce polyclonal antibody in mouse. This antibody was used in immunolocalization tests of this peritrophin in the peritrophic membrane and midgut epithelium for both light and electron microscopies. Detection of chitin in the peritrophic membrane was performed with WGA/FITC. Results showed that the peritrophic membrane from 4th instar larvae has the aspect of a peritrophic film, but with a gelatinous material on its outer surface. The peritrophin-55 kDa, in the midgut larvae, was found to be secreted through epithelial cells microvilli along the whole midgut, even so being the anterior end of the midgut the main production site. The same experiments were performed with midgut of adult bees, but the results were negative in relation to the antibody anti-peritrophins. The results to chitin detection were only positive in the peritrophic membrane. These results are discussed in relation to peritrophic membrane data available to the insects. Finally, considering the peritrophin presence in the whole midgut epithelium, it is addressed that the peritrophic membrane in larvae of Melipona quadrifasciata anthidioides is of the type-I.