Boosting the bee: Leveraging the structural capabilities of the lipoprotein Vitellogenin to support honey bee (Apis mellifera) health.

Vitellogenin (Vg) er et fundamentalt protein: Det er like gammelt som flercellet dyreliv på Jorda, dvs 700 millioner år. I dag finnes Vg i nesten alle dyr som legger egg. Vg er essensielt for at egg skal utvikle seg til nytt liv. Men, dette er ikke alt: Forskningen vår har vist at Vg er sentralt for immunforsvaret, helse-effekter av kosthold, samt adferd hos voksne dyr. Vi har fokusert vår forskning på honningbier, som er viktige som produksjonsdyr av honning samt pollineringstjenester i landbruket. Nylig fant vi ut at honningbier har minst 121 varianter (unike utforminger) av Vg. I dette nye prosjektet skal vi studere utvalgte Vg-varianter som sannsynligvis har ulike konsekvenser for immunforsvaret, helse-effekter av kosthold og adferd hos honningbier. Vi har lykkes med å passere det første hindret i uttesting av Vg-variantene ved å etablere en honningbie koloni som bærer standardvarianten av Vg. Standardvarianten av Vg vil brukes som en referanse for å kvantifisere effektene forårsaket av aminosyreendringer. Arbeidet har resultert i en forbedret sekvenseringsprotokoll som bruker AI-drevne algoritmer for proteinstrukturprediksjon og strekkodene prøver for å identifisere korte og unike signaturer i Vg-genet, noe som sparer tid og kostnader. Arbeidet ble gjort i samarbeid med USDA (Ihle). Vi forbereder et manuskript som presenterer vårt vellykkede og moderne avlskonsept. I samarbeid med UCL (Fraternali og Orengo) har vi utviklet en avansert bioinformatisk arbeidsflyt for å navigere valgene av Vg-varianter. To datasett fremhever funksjonelle Vg-regioner som spiller viktige roller i atferd og kosthold. Vi har valgt ut et spesifikt område i Vg som sannsynligvis har konsekvenser for lipidbindingspotensialet, og avl av homozygotiske bidronninger med denne varianten pågår ved USDA. Vi har samlet hemolymphe (insektblod) fra 450 honningbier ved NMBU for å kartlegge variasjonen i lipidbindingspotensialet for Vg hos honningbier. Rensningsmetoder og utfellingsanalyser for Vg-lipidkompleksene utvikles nå ved UiB (Halskau) som forberedelse til lipidomisk analyse. For å forstå dynamikken i en funksjonell region av Vg, som regulerer honningbiers atferd, har vi simulert hvordan den beveger seg i løsning. Denne banebrytende studien er den første som identifiserer den dynamiske oppførselen til et Vg-domene på tvers av ulike arter. Et manuskript er under utarbeidelse for å vise hvordan Vg-regionen påvirkes av en proteinvariant. Simuleringsdataene vil også bli brukt til å undersøke hvordan regionen interagerer med DNA. I tillegg til våre beregningsmessige studier har vi gjort eksperimentelle fremskritt. I samarbeid med UiB har vi lagd et sporbart Vg-konstrukt av den funksjonelle regionen som er ansvarlig for translokasjon av Vg inn i honningbie vev, cellekjerner og gjenkjenning av DNA. De foreløpige testene på stabilitet og in vitro-funksjonalitet av konstruktet og dets fluorescerende markør er lovende. Innføringen av konstruktet i honningbie vev pågår ved ASU. Amdam, Halskau og Leipart har levert en Disclosure of Invention som et første steg mot en patentsøknad for leveringssystemet. Postdoktoren sikret finansiering for et 12-måneders utenlandsopphold stipend fra forskningsrådet (350231) ved UCL. Oppholdet gir henne mulighet til å forbedre sine beregningsferdigheter og lære avanserte bioinformatiske verktøy, noe som har bidratt til fremgangen i prosjektet. I tillegg til prosjektspesifikke oppgaver har oppholdet ved UCL gitt postdoktoren anledning til å delta i to kurs innen strukturell bioinformatikk og biomolekylære simuleringer, presentere sitt arbeid for instituttet og på flere symposium (hvor hun fikk 2. plass for en posterpris), fått rollen som ordstyrer ved en instituttkonferanse, er med-forfatter på en konferanserapport, og hjulpet til i en intervjuprosess. Vg og det genetiske datasettet har blitt brukt som undervisningsmateriale i avanserte master- og bachelor-kurs ved UiB og Wageningen University. Leipart ble invitert som gjesteforeleser på MOL310-kurset ved UiB for å undervise i den nyeste metodologien AlphaFold, med honningbie-Vg som eksempel. Halskau har presentert et mastergradsprosjekt om von Willebrand-faktoren i Vg. Samlet sett har resultatene våre fått oppmerksomhet i det vitenskapelige miljøet, blant interessenter og publikum generelt. Vi ble tildelt prisen for "Mest nedlastede artikkel i løpet av de første 12 månedene etter publisering" og ble nominert til FEBS Open Bio Article-prisen for vår artikkel i FEBS Open Bio. Resultatene har ført til at honningbie-Vg har blitt fremhevet som et glanseksempel i den strukturelle biologirevolusjonen fra DeepMind og i Nature. Leiparts doktoravhandling ble tildelt Alf Bjørseth Inspirational Award 2023 (nyhetsartikler fra NMBU and UCL). Ihle og Amdam har presentert arbeidet vårt for flere birøkterforeninger, og Amdam er omtalt i Aftenposten A-magasinet.

Vitellogenin (Vg) is an important yolk protein in most egg-laying animals?from sponges to chickens. We have studied Vg for 20 years, and during this time, the functional characterization of the protein expanded: From simple "yolk precursor", to a multifunctional protein important for health and behavior. Our previous work was a key to this paradigm shift. We now propose to use our unique knowledge base to leverage a new finding: 121 Vg variants in honey bees (Apis mellifera). By leveraging these protein variants, we will deliver results at the forefront of molecular biology while addressing a challenge to agriculture and society: the need to alleviate stresses on bees from diseases and poor nutrition. To achieve our objectives, we launch a multidisciplinary initiative that involves 6 academic partners as well as stakeholder groups. Our project is structured around two task areas: cutting-edge basic research (WP1-3) and cutting-edge applied research (WP4-5). Under WP1-3 we utilize specific Vg variants or Vg-inspired synthetic constructs to resolve questions about Vg multifunctionality; in pathogen-, lipid- and DNA-binding. Under WP4 we test how specific Vg variants perform in bee colonies in the USA, in collaboration and synergy with the USDA's Baton Rouge lab. This lab is a world-authority on bee health and genetic stock development. Our applied research is taken to a next level in WP5, where stakeholders form interdisciplinary teams to develop simple "at-home" quantification tools for Vg. Our project outputs are positioned to boost the molecular understanding of Vg (with implications for the many taxa that rely on this protein), and to modernize the use of Vg in veterinary diagnostics in the service of bees and beekeepers.