カルシウムシグナル伝達は、昆虫組織の冷感を媒介します

温度の変化に迅速に反応する能力は、熱可変環境に住んでいる昆虫やその他の外洋者に対する重要な適応です。Rapid Cold Hardening（RCH）と呼ばれるプロセスでは、昆虫は、非致死性の冷えたものに短い（すなわち数時間〜時間）曝露した後、耐寒性を大幅に向上させます。RCHの生態学的な関連性は確立されていますが、RCHを引き起こす基礎となる生理学的メカニズムはよく理解されていません。RCHは、生体内で孤立した組織で誘発することができ、寒冷感覚と下流の硬化経路が脳に依存しないシグナル伝達メカニズムによって支配されることを示唆しています。私たちは以前、カルシウムがRCHに関与しているという予備的な証拠を提供しました。ここでは、カルシウムシグナル伝達が昆虫組織の冷感を媒介することを固く確立しています。凍結耐性のゴールデンロッド・ガル・フライの気管細胞では、Eurosta solidaginisは0°Cに冷やされ、生細胞共焦点イメージングによって決定されるように細胞内カルシウム濃度の40％増加を引き起こしました。カルシウム侵入の下流では、RCH条件は、阻害性Thr306残基のリン酸化を減少させながら、カルシウム/カルモジュリン依存性プロテインキナーゼII（CAMKII）の活性を大幅に増加させました。カルシウム侵入、カルモジュリンの活性化、およびCAMKII活性の薬理学的阻害剤はすべて、中腸および唾液腺組織のex vivo RCHを予防し、RCHが発生するのにカルシウムシグナル伝達が必要であることを示しています。凍結不耐症種、肉の成人、サルコカガ・ブリタについても同様の結果が得られ、カルシウムを介したコールドセンシングが昆虫の一般的な特徴であることを示唆しています。我々の結果は、昆虫組織がカルシウムシグナル伝達を使用して温度の低下を即座に検出し、下流のコールドハーデニングメカニズムを引き起こすことを意味します。

The ability to rapidly respond to changes in temperature is a critical adaptation for insects and other ectotherms living in thermally variable environments. In a process called rapid cold hardening (RCH), insects significantly enhance cold tolerance following brief (i.e., minutes to hours) exposure to nonlethal chilling. Although the ecological relevance of RCH is well-established, the underlying physiological mechanisms that trigger RCH are poorly understood. RCH can be elicited in isolated tissues ex vivo, suggesting cold-sensing and downstream hardening pathways are governed by brain-independent signaling mechanisms. We previously provided preliminary evidence that calcium is involved in RCH, and here we firmly establish that calcium signaling mediates cold sensing in insect tissues. In tracheal cells of the freeze-tolerant goldenrod gall fly, Eurosta solidaginis, chilling to 0 °C evoked a 40% increase in intracellular calcium concentration as determined by live-cell confocal imaging. Downstream of calcium entry, RCH conditions significantly increased the activity of calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) while reducing phosphorylation of the inhibitory Thr306 residue. Pharmacological inhibitors of calcium entry, calmodulin activation, and CaMKII activity all prevented ex vivo RCH in midgut and salivary gland tissues, indicating that calcium signaling is required for RCH to occur. Similar results were obtained for a freeze-intolerant species, adults of the flesh fly, Sarcophaga bullata, suggesting that calcium-mediated cold sensing is a general feature of insects. Our results imply that insect tissues use calcium signaling to instantly detect decreases in temperature and trigger downstream cold-hardening mechanisms.