The identification and evolution of Insulin Like Peptide genes in Bactrocera fruit flies

Insulin Like Peptides (ILPs) are major components of the nutrient-sensing pathway and have been deeply investigated in several model organisms, including the fruit fly Drosophila melanogaster (Drosophilidae, Diptera). The Drosophila insulin like peptides (DILPs) are functionally similar to the mammalian insulin hormone and they regulate glucose metabolism by binding to their receptors after being secreted from insulin producing cells under the stimulation of macronutrients as sugars. It is therefore clear that these genes are important in glucose rich diets and can evolve differently depending on the food source. In this thesis, we studied the pattern of molecular evolution of ILP genes in five species of the true fruit flies of the genus Bactrocera (Tephritidae, Diptera) that differ in their larval diets, with two species being polyphagous (B. dorsalis and B. tryoni), two oligophagous (B. cucurbitae and B. latifrons, the latter having an intermediate diet regime that is close to polyphagy) and one monophagous species (B. oleae, which feeds exclusively on olives). Bactrocera fruit flies are very important fruits pests that contribute to great losses in the global trade and in the agricultural industry, and that are also known for their high adaptive and invasive potential. In our study, we first used bioinformatics tools to identify DILPs orthologs in these species. In this way we could identify six ILPs in Bactrocera (which we termed TILPs), that were the result of Bactrocera and Tephritidae specific duplication events. Phylogenetic analyses have been then integrated with molecular evolutionary analyses to identify if these genes experienced positive selection in these species. We found evidence that ILPs orthologs have undergone positive selection in B. oleae and B. cucurbitae. These findings suggest that ILPs may have been involved in the diet specialization of the two species (i.e., their limited host range). We also analyzed the distribution and pattern of transcription factor binding sites (TFBSs) near the Bactrocera ILP genes. In particular, we were interested in detecting TFBSs enrichment that may be associated to gene specific transcription profiles. The results of these analyses revealed that in B. oleae, B. cucurbitae and B. latifrons there are species-specific TFBSs for some TILPs, suggesting and reinforcing the observation that ILP genes were important in the evolution of monophagous and oligophagous species. In addition, we identified two TFBSs that are consistently present close to all TILPs in all Bactrocera species, pointing to a prominent role of the associated transcription factors in the control of TILP expression in these species. The identification of ILP genes in Bactrocera and the characterization of their evolutionary history pave the way for functional studies aimed at characterizing the role of these proteins and their actual role in the contrasting ecology of these species.

L'identificazione e l'evoluzione dei geni Insulin Like Peptide nelle mosche della frutta del genere Bactrocera. Le proteine Insulin Like Peptides (ILPs) sono componenti importanti della via di rilevamento dei nutrienti e sono state molto studiate in diversi organismi modello, tra cui Drosophila melanogaster (Drosophilidae, Diptera). In Drosophila, le insulin like peptides (DILPs) sono funzionalmente simili all'insulina dei mammiferi e regolano il metabolismo del glucosio, legandosi ai recettori dopo essere state secrete dalle cellule produttrici di insulina in seguito alla stimolazione di macronutrienti come gli zuccheri. È quindi chiaro che questi geni sono importanti nelle diete ricche di glucosio e possono quindi evolvere in modo diverso a seconda della fonte di cibo. In questa tesi, abbiamo studiato il modello di evoluzione molecolare dei geni ILP in cinque specie di mosche della frutta del genere Bactrocera (Tephritidae, Diptera) che differiscono nelle loro diete larvali: due specie sono polifaghe (B. dorsalis e B. tryoni), due oligofaghe (B. cucurbitae e B. latifrons, quest'ultima con un regime di dieta intermedio che è vicino alla polifagia) e una specie monofaga (B. oleae, che si nutre esclusivamente di olive). Le specie del genere Bactrocera sono parassiti della frutta molto importanti, che contribuiscono a ingenti perdite nel commercio e nell'industria agricola e che sono noti per il loro alto potenziale di adattamento e invasività. Nel nostro studio, abbiamo utilizzato approcci bioinformatici per identificare gli ortologhi di DILPs in queste specie. In questo modo abbiamo potuto identificare sei ILPs in Bactrocera (che abbiamo chiamato TILPs), che sono il risultato di eventi di duplicazione specifici in Bactrocera o nei Tephritidae. Le analisi filogenetiche sono state integrate con analisi di evoluzione molecolare per identificare se questi geni sono andate incontro a selezione positiva in queste specie. I nostri risultati indicano che alcuni TILPs hanno subito una selezione positiva in B. oleae e B. cucurbitae, suggerendo quindi che ILPs possano essere coinvolti nella dieta specializzata delle due specie (vale a dire la gamma limitata delle loro piante ospite). Abbiamo anche caratterizzato il pattern dei siti di legame dei fattori di trascrizione (TFBS) presenti in prossimità dei geni ILP di Bactrocera. In particolare, eravamo interessati a individuare il possibile arricchimento di particolari TFBSs che potrebbero essere associati a profili di trascrizione specifici di questi geni. I risultati di queste analisi hanno rivelato che in B. oleae, B. cucurbitae e B. latifrons esistono TFBS specie-specifici per alcuni TILP, suggerendo e rafforzando l'osservazione che i geni ILP sono stati importanti nell'evoluzione delle specie monofaghe e oligofaghe. Inoltre, abbiamo identificato due TFBS che sono costantemente presenti vicino a tutti i TILP in tutte le specie di Bactrocera, indicando un ruolo prominente dei rispettivi fattori di trascrizione nel controllo dell'espressione dei TILP in queste specie. L'identificazione dei geni ILP in Bactrocera e la caratterizzazione della loro storia evolutiva offrono preziose informazioni per studi funzionali che potranno caratterizzare il ruolo di questi geni nella diversa ecologia di queste specie.