Stings of certain ant species (Hymenoptera: Formicidae) can cause intense, long-lasting nociception. Here we show that the major contributors to these symptoms are venom peptides that modulate the activity of voltage-gated sodium (Na_V) channels, reducing their voltage threshold for activation and inhibiting channel inactivation. These peptide toxins are likely vertebrate-selective, consistent with a primarily defensive function. They emerged early in the Formicidae lineage and may have been a pivotal factor in the expansion of ants.

In the mutualisms involving certain pseudomyrmicine ants and different myrmecophytes (i.e., plants sheltering colonies of specialized “plant-ant” species in hollow structures), the ant venom contributes to the host plant biotic defenses by inducing the rapid paralysis of defoliating insects and causing intense pain to browsing mammals. Using integrated transcriptomic and proteomic approaches, we identified the venom peptidome of the plant-ant Tetraponera aethiops (Pseudomyrmecinae). The transcriptomic analysis of its venom glands revealed that 40% of the expressed contigs encoded only seven peptide precursors related to the ant venom peptides from the A-superfamily. Among the 12 peptide masses detected by liquid chromatography-mass spectrometry (LC–MS), nine mature peptide sequences were characterized and confirmed through proteomic analysis. These venom peptides, called pseudomyrmecitoxins (PSDTX), share amino acid sequence identities with myrmeciitoxins known for their dual offensive and defensive functions on both insects and mammals. Furthermore, we demonstrated through reduction/alkylation of the crude venom that four PSDTXs were homo- and heterodimeric. Thus, we provide the first insights into the defensive venom composition of the ant genus Tetraponera indicative of a streamlined peptidome.

Ants are among the most abundant terrestrial invertebrate predators on Earth. To overwhelm their prey, they employ several remarkable behavioral, physiological, and biochemical innovations, including an effective paralytic venom. Ant venoms are thus cocktails of toxins finely tuned to disrupt the physiological systems of insect prey. They have received little attention yet hold great promise for the discovery of novel insecticidal molecules. To identify insect-neurotoxins from ant venoms, we screened the paralytic activity on blowflies of nine synthetic peptides previously characterized in the venom of Tetramorium bicarinatum. We selected peptide U₁₁, a 34-amino acid peptide, for further insecticidal, structural, and pharmacological experiments. Insecticidal assays revealed that U₁₁ is one of the most paralytic peptides ever reported from ant venoms against blowflies and is also capable of paralyzing honeybees. An NMR spectroscopy of U₁₁ uncovered a unique scaffold, featuring a compact triangular ring helix structure stabilized by a single disulfide bond. Pharmacological assays using Drosophila S2 cells demonstrated that U₁₁ is not cytotoxic, but suggest that it may modulate potassium conductance, which structural data seem to corroborate and will be confirmed in a future extended pharmacological investigation. The results described in this paper demonstrate that ant venom is a promising reservoir for the discovery of neuroactive insecticidal peptides.

Les venins d’animaux sont des bibliothèques naturelles de composés bioactifs optimisés au cours de l’évolution, appelés toxines. Les venins de nombreux animaux restent néanmoins inexploités, notamment ceux des insectes. Plusieurs études portant sur les venins de fourmis ont révélé que ces venins étaient riches en peptides. La caractérisation du peptidome du venin de Tetramorium bicarinatum a également permis de constater que, malgré la diversité de peptides matures, ces derniers se classent en 3 grandes familles de précurseurs dont certaines ont déjà été décrites chez d’autres hyménoptères. Il est de plus apparu que des gènes codant certains d’entre eux s’expriment en dehors du système vulnérant. Ces résultats posent les questions des mécanismes impliqués dans la diversification des toxines peptidiques de venins de fourmis, ainsi que leur rôle en dehors de la fonction venimeuse. Pour répondre à ces problématiques, la première partie de ce travail de thèse a consisté en la caractérisation via des approches protéotranscriptomiques, des venins de 7 espèces de fourmis appartenant aux différentes tribus phylogénétiques de la sousfamille des Myrmicinae, et du venin d’une espèce appartenant à une sous-famille proche, les Pseudomyrmecinae. Cent toxines peptidiques aux structures variées ont ainsi été identifiées et classées en 8 superfamilles de précurseurs. La seconde partie a consisté en l’exploration du lien entre les toxines peptidiques du venin de T. bicarinatum et son immunité innée via des méthodes de biologie moléculaire et cellulaire. La présence de transcrits codant certains peptides a été vérifiée dans des organes impliqués dans l’immunité innée (i.e. corps gras, tubes digestifs). L’expression des gènes les codant a également été évaluée suite à une infection bactérienne. Il a ainsi été montré que les transcrits codant les peptides de venin sélectionnés sont présents dans les organes testés, et que certains sont produits dans les corps gras en réponse à une infection bactérienne. Ces résultats confirment l’existence d’un lien entre les peptides de venin et l’immunité innée de la fourmi T. bicarinatum, bien que des études complémentaires soient nécessaires