efecte

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Efecte variabile ale restricției alimentare asupra liniilor introgresive
  • Identificarea locurilor trăsăturilor cantitative asociate ecloziunii mamei
  • Variație naturală între izolatele sălbatice de C. elegans
  • discuţie
  • metode
  • Izolați C. elegans
  • Testele pe toată durata vieții pentru IL și izolate sălbatice
  • Clocirea mamelor în RIL
  • Analiza datelor
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere Excel
  • Set de date suplimentare
  • Set de date suplimentare 2
  • Comentarii

obiecte

  • îmbătrânire
  • Biologie evolutivă a dezvoltării
  • Proprietăți cantitative

abstract

Restricția alimentară pare să acționeze ca un mecanism general non-genetic care poate prelungi semnificativ viața. Cu toate acestea, în multe sisteme, au existat cazuri în care aportul limitat de alimente fie se scurtează, fie nu afectează longevitatea. Aici analizăm durata de viață și efectul restricției alimentare prin niveluri insuficiente de peptone asupra duratei de viață în izolate sălbatice și linii introgresive (nematode Caenorhabditis elegans). Aceste analize identifică variațiile genetice ale speranței de viață, ca urmare a acestei modificări a dietei față de speranța de viață și, de asemenea, în probabilitatea apariției ecloziunii materne, matricide. Important, în izolatele sălbatice și IL, identificăm genotipuri în care restricția dietetică mediată de privarea peptidică reduce viabilitatea. În liniile consangvinizate recombinante, am identificat, de asemenea, un site care afectează eclozarea maternă, un fenotip strâns asociat cu restricția dietetică la C. elegans. Aceste rezultate sugerează că restricția dietetică mediată de privarea peptonică afectează viabilitatea C. elegans într-o manieră dependentă de genotip, reducând viabilitatea unor genotipuri. Poate funcționa printr-un mecanism similar cu restricțiile alimentare.

Îmbătrânirea este un fenomen universal în care schimbările progresive duc în cele din urmă la moarte. Durata de viață poate fi afectată de mulți factori, dintre care unul este restricția dietetică (DR). DR sau restricția calorică este o reducere a aportului caloric fără malnutriție. Această intervenție genetică poate prelungi semnificativ viața diferitelor specii de la drojdie la șoareci (de exemplu, 1, 2, 3, 4, vezi 5 pentru recenzie). În multe specii model de DR, DR s-a dovedit, de asemenea, că încetinește apariția sau severitatea caracteristicilor legate de vârstă asociate cu boli precum diabetul, demența și bolile cardiovasculare 4, 5, 6, 7. Studiile efectuate pe primate sugerează, de asemenea, că DR poate îmbunătăți starea de sănătate a maimuțelor rhesus 8, 9, deși efectul asupra viabilității este mai puțin clar, un studiu arătând o reducere a mortalității 9, în timp ce celălalt studiu a observat o îmbunătățire a sănătății și niciun efect viabilitate 8. 8. Deoarece efectul DR asupra viabilității umane este încă necunoscut, datele de acumulare sugerează că DR fără malnutriție îmbunătățește semnele îmbătrânirii (vezi recenzia 10). Sunt necesare mai multe studii pentru a permite o mai bună înțelegere a proceselor moleculare care sunt susceptibile de a fi implicate în răspunsurile individuale dependente de genotip la DR la om.

În ciuda cazului general de prelungire a viabilității DR, există exemple la drojdia 11, viermii 12, muștele fructelor 13, muștele domestice 14, șobolanii 15 și șoarecii 16, 17, 18, unde DR fie nu are efect, fie chiar reduce viabilitatea. Unele dintre aceste abateri se datorează metodologiilor diferite și severității DR. De exemplu, muștele fructelor mediteraneene nu au prezentat nicio creștere a longevității cu DR moderat și au crescut dramatic mortalitatea atunci când nivelurile de DR au atins 50% 13. Fondul genetic este, de asemenea, un factor important. De exemplu, nu s-a găsit niciun efect al DR la șoarecii sălbatici proaspăt capturați, care au fost menținuți într-un regim care să prelungească viața animalelor adaptate la laborator 17. În mod similar, modificările viabilității ca răspuns la DR au fost variabile între tulpinile recombinate de șoarece încrucișat 18, cu DR scurtarea viabilității în mai multe tulpini decât viabilitatea prelungită. Răspunsuri variabile la DR au fost, de asemenea, observate la o populație genetic eterogenă de drojdii în devenire (Saccharomyces cerevisiae), cu efectul DR variind de la 103% până la 79% între tulpini 11.

Speciile de nevertebrate oferă un model excelent de cercetare a îmbătrânirii datorită duratei lor de viață relativ scurte și trasabilității experimentale. Un astfel de sistem model este nematodul Caenorhabditis elegans. Efectele DR asupra viabilității în C. elegans au fost investigate prin mai multe metode, inclusiv utilizarea mutanților (de exemplu, Eat-2) care sunt deficienți în pomparea faringiană 19, cultura axenei 20, diluarea bacteriană în culturile lichide 21, diluarea, sau îndepărtarea completă a peptonei. din plăcile de agaroză 22, utilizarea bacteriilor 23 ucise de radiațiile UV și de foame 3, 24. Toate aceste manipulări experimentale au avut succes în extinderea vieții 25. În C. elegans, longevitatea pe DR este reglată activ prin căi independente și suprapuse. Aceste căi sunt conservate în mod evolutiv și includ; țintă pentru rapamicină (TOR) pentru restricție cronică a alimentelor (mutanți puternici-2 mutanți și tratament de înfometare) 26, proteină kinază activată AMP (AMPK) (diluție de plăci bacteriene de vârstă medie și diluție peptonică) 23, sirtuine (DR ușoară sau mutanți alimentari) 2 cu efect slab) 27 și semnalizare insulină/factor de creștere asemănător insulinei (IGF-1) (hrănire intermitentă) 28 .

În plus față de efectele asupra longevității, C. elegans răspunde la multe condiții alimentare slabe, cum ar fi DR, prin creșterea ratei ecloziunii materne atunci când ouăle fertilizate eclozează în tractul reproductiv și descendenții rezultați sunt consumați de mamă. Ecloșia maternă la C. elegans este, de asemenea, asociată cu îmbătrânirea, rata crescând cu vârsta în timpul perioadei de reproducere. Creșterea ecloziunii materne ca răspuns la dietă poate reprezenta, prin urmare, efecte de stres sau vătămare sau poate fi un răspuns adaptiv al părinților la foamete 29, 30. Multe studii privind îmbătrânirea și majoritatea studiilor de DR în C. elegans au împiedicat eclozarea mamei prin testarea viermilor în prezența 5-fluorodeoxiuridinei (FUdR), un medicament care inhibă diviziunea celulară și previne eclozarea ouălor. Cu toate acestea, acest lucru este potențial problematic atunci când se ia în considerare o modificare a răspunsului la DR, deoarece FUDR sa dovedit a afecta viabilitatea într-o manieră dependentă de genotipul 31, 32 și să interacționeze cu răspunsul la stres 33. Genetica variației ecloziunii materne este, de asemenea, slab înțeleasă și, deși a fost identificat un număr mic de trăsături loci cantitative (QTL) care afectează eclozarea maternă34, nu se știe dacă acestea sunt legate de variațiile speranței de viață.

Rezultatul

Efecte variabile ale restricției alimentare asupra liniilor introgresive

Identificarea locurilor trăsăturilor cantitative asociate ecloziunii mamei

Pentru a testa dacă este posibil să se combine o variație a incubatorului mamei cu mai mulți loci, am folosit un RIL realizat dintr-o încrucișare între N2 și CB485641. Am constatat o variabilitate extinsă între RIL și infracțiunea de eclozare a mamei (Fig. 1a). Un QTL major pentru eclozarea maternă s-a găsit a fi aproximativ la poziția de introgresiune CB4856 în IL ewIR51 (Fig. 1b; mâna stângă CHR. IV), această QTL explicând variația 22,8% a caracteristicilor. Când am folosit markerul 66 (pe cromozomul IV

6M) ca vârf al acestui QTL pentru incubație maternă, am găsit un efect de 5,2%, astfel încât rata eclozării materne a fost cu 10,4% mai mare pentru alela CB4856 decât pentru alela N2 (Fig. 2). Acest lucru confirmă 10% incubator matern de ewIR51. Două situri suplimentare găsite în ewIR21 și ewIR40 (Tabelul 1) nu au fost detectate în RIL (Fig. 1b), deși au avut un efect mai mare și au crescut eclozarea maternă aproape de două ori comparativ cu ewIR51. Acest lucru sugerează interacțiunea acestor doi loci cu fundalul genetic. Aportul matern este, prin urmare, probabil o trăsătură poligenică complexă și echilibrat genetic în liniile parentale.

A ) Procentul de eclozare a mamelor în N2/CB4856 RIL, CB4856 (albastru) și N2 (roșu), aceasta indică o segregare transgresivă. Numărul total de animale pe rând este indicat prin numere roșii pe axa x. b ) Profilul QTL pentru procentul de viermi care au murit prin eclozarea mamei. Înțeles (−log10 (p), linii albastre) reprezentate în funcție de poziția markerului în mega perechi de baze (linii verticale gri pe 0 linii). Numele cromozomilor sunt enumerate deasupra panourilor. Valoarea prag (0,05; 1.000 permutări) este indicată printr-o linie roșie punctată.

Imagine la dimensiune completă

Rata de eclozare a mamelor RIL grupate în funcție de alela lor pe cromozomul IV la

6M perechi de baze, CB4856 (albastru) și N2 (roșu).

Imagine la dimensiune completă

Variație naturală între izolatele sălbatice de C. elegans

Pentru a investiga dacă viabilitatea, eclozarea maternă și efectul privării de peptonă ar putea fi o alegere echilibrată în natură, am studiat aceste proprietăți în 23 de izolate sălbatice și N2 (Figurile 3 și 4; Setul de date suplimentar 2). În mod remarcabil, privarea de peptonă a redus viabilitatea în aproximativ o treime din izolatele sălbatice, comparativ cu N2, cu un efect care variază de la o creștere a viabilității medii în JU1937 de 4,5 zile la o scădere de 2,8 zile în WN2003 (Fig. 3). Din aceste rezultate, putem concluziona că există o variație genetică în C. elegans pentru peptona epuizată de DR mediată de DR și că aceasta nu prelungește viabilitatea în toate genotipurile. De asemenea, am găsit diferențe mari în eclozarea maternă între izolatele sălbatice, dar, spre deosebire de IL, acest lucru nu pare să fie legat de durata de viață sau de efectul peptonei epuizate de DR asupra viabilității. Prin urmare, aceste rezultate sunt susceptibile de a reflecta răspunsurile dependente de genotip la mediu.

Viabilitate medie, ± SE, în condiții normale (NGM) și peptonă (pătrată). Zonele marcate cu alb indică efectul DR asupra vieții medii. Efectul DR asupra viabilității este indicat și de triunghiurile din stânga, punctul de mai sus indică efectul pozitiv al DR și în jos efectul negativ al DR. Triunghiurile mari indică o diferență semnificativă între NGM și DR.

Imagine la dimensiune completă

Izolatele sălbatice au fost clasificate în funcție de întinderea ecloziunii materne pe NGM. Numărul total de animale testate per izolat sălbatic și starea arătată de numerele roșii de pe axa x.

Imagine la dimensiune completă

discuţie

În acest studiu, ne-am concentrat pe variațiile naturale ale speranței de viață, răspunsul la restricția alimentară fără peptonă și eclozarea maternă la C. elegans. În IL, am identificat 3 QTL care afectează viabilitatea, 3 care afectează răspunsul la privarea de peptonă și 3 care afectează eclozarea maternă. Această analiză confirmă 3 (ewIR01, ewIR21, ewIR51) din cele 5 viabilități QTL identificate anterior în acest panou IL 39. Diferențele dintre studii se datorează probabil diferențelor dintre laboratoare sau dimensiunilor reduse ale populației utilizate în analizele anterioare 39. Ansamblul genomului CB4856 sugerează că există multe regiuni cu diferențe extrem de mari între N2 și CB4856 42. O comparație a localizării acestor regiuni cu limitele introgresiunii în IL-urile analizate sugerează că trei dintre IL-urile (ewIR01, ewIR21, ewIR51) conțin astfel de regiuni extrem de divergente, dar nu conțin ewlR18 și ewlR40. Prin urmare, efectele pe viață ale acestor diferite regiuni pot necesita analize suplimentare.

De asemenea, am constatat că IL-urile răspund diferit la privarea de peptonă, privarea de pepton prelungind durata de viață a două IL-uri, neavând niciun efect asupra celorlalte două IL-uri și reducând durata de viață a celui de-al cincilea IL (Tabelul 1). Vom descoperi în mod critic că privarea de peptonă afectează viabilitatea într-o manieră specifică genotipului, astfel încât este probabil ca și DR ușor mediat DR să afecteze detectarea unei anumite viabilități QTL. Modul DR cu îndepărtarea completă a peptonei de pe plăcile NGM a fost ales pentru efectul său ușor de DR22. În aceste condiții, Escherichia coli OP50 nu crește pe trombocite, dar nu este ucisă. Deși mecanismele moleculare ale intervențiilor dietetice sunt încă puțin înțelese, se știe că diferite metode de DR funcționează prin căi independente și suprapuse 25. De exemplu, AMPK care detectează o detectare a energiei reduse este necesară pentru a prelungi durata de viață a bacteriilor și peptonilor care se diluează pe plăcile NGM 25. .

Trei IL în care privarea de peptonă nu a reușit să prelungească viabilitatea au arătat o eclozare maternă crescută în ambele regimuri de hrănire, cu o creștere semnificativă observată ca răspuns la privarea de peptonă. Deși creșterea ecloziunii materne nu explică în mod direct absența unui răspuns la privarea de peptonă, suprapunerea dintre QTL sugerează că există o relație între răspunsul la privarea de peptonă și creșterea ecloziunii materne. Acest lucru se datorează probabil factorului de bază care afectează ambele proprietăți. O posibilitate este că creșterea crescută a mamei este cauzată de răspunsul mamei la un mediu fără peptone, ceea ce duce la sacrificiu de sine pentru a permite dezvoltarea descendenților, așa cum sugerează 30. Acest scenariu pare puțin probabil în acest caz, având în vedere diferențele dintre linii și forma ușoară de DR utilizată. Alternativ, diferențele se datorează unei incompatibilități genetice între CB4856 și alelele de fond N2 34, aceste incompatibilități afectând atât eclozarea maternă, cât și răspunsul la DR.

Comparația ecloziunii materne în IL și RIL (Tabelul 1 vs. Fig. 1b) indică faptul că QTL major găsit în RIL co-localizează cu unul dintre QTL găsite în IL (ewIR51). Celelalte două QTL din IL nu au fost găsite în RIL. Acest lucru se poate datora diferențelor în setările experimentale sau unui fundal mai complex al RIL în comparație cu IL. Motivul poate fi, de asemenea, echilibrul alelelor din RIL, care în multe combinații împiedică fenotipul mamelor care clocesc. Această observație reflectă modelul observat de variație a caracteristicilor identificat în comparația anterioară a IL și RIL în C. elegans 34, cu analiza IL dezvăluind mai mulți loci care afectează particularitatea decât observat în RIL. Acest lucru poate însemna că efectele observate, în special reducerea observată a viabilității ca răspuns la privarea de peptonă observată în ewIR40, se datorează unei incompatibilități între alelele CB4856 și fondul genetic N2.

Majoritatea studiilor pe C. elegans au fost efectuate folosind o singură tulpină canonică de Bristol (N2) ca genotip de referință. Tulpina N2 a fost menținută în cultură continuă timp de aproximativ 13 ani înainte de îngheț, supunând-o unor condiții foarte diferite decât în ​​sălbăticie 44, 45. Prin urmare, este probabil să se adapteze într-o mare măsură la condițiile de laborator 44, 46 și, astfel, genele care afectează longevitatea și răspunsul DR ar putea fi afectate. Recent, în cercetarea C. elegans s-a acordat mai multă atenție comparării N2 cu izolatele sălbatice naturale 35, 36, 37, 45, 47. Deoarece variația genetică poate afecta în mod semnificativ răspunsul la DR mediat de lipsa peptidelor, este necesar să aruncăm o privire mai atentă asupra izolatelor sălbatice proaspăt obținute pentru a obține o imagine mai realistă a efectelor DR și pentru a găsi alele polimorfe naturale implicate în răspunsul la DR. DR. Acest lucru subliniază, de asemenea, necesitatea ca studiile să fie efectuate în general în diferite setări genetice.

metode

Izolate de C. elegans

Viermii folosiți au fost N2 (Bristol), N2/CB4856 ILs ewIR1, ewIR18, ewIR21, ewIR40 și ewIR51 39, N2/CB4856 RIL 40, 41, 48, 49, 50, 51 și izolate sălbatice 36 (donate de MA Felix JK) . IL selectate conțin cinci dintre cele șase QTL identificate anterior, cu potențiale efecte de scurtare ale alelei CB4856 39. Viabilitatea suplimentară QTL identificată în aceste IL 39 nu a fost retestată deoarece regiunea QTL conține npr-1. Deoarece fluctuația dintre N2 și CB4856 afectează multe caracteristici ale C. elegans, dintre care multe au fost mediate de efectele comportamentale asupra disponibilității alimentelor 52, 53, acest QTL nu a fost analizat în acest studiu. Toate liniile au fost menținute la 20 ° C pe mediu standard de creștere a nematodelor (NGM) cu Escherichia coli OP50 ca sursă de hrană 54 .

Testele pe toată durata vieții pentru IL și izolate sălbatice

Clocirea mamelor în RIL

Pentru a determina incubația maternă în RIL, 40 de viermi sincronizați au fost monitorizați pentru RIL la o săptămână după etapa L4 și numărul de incubatoare materne a fost înregistrat zilnic.

Analiza datelor

Viabilitatea IL a fost analizată folosind curbele de supraviețuire Kaplan-Meier cu semnificație determinată de analiza log-rank în Minitab® Statistical Software (Mintab Ltd., Coventry). Cartarea QTL a procentului de eclozare maternă la RIL a fost efectuată utilizând un singur model marker 34. Datele sunt arhivate în format WormQTL (//www.wormqtl.org) 56, 57, 58 .

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Stastna, JJ și colab. Efecte dependente de genotip asupra supraviețuirii la peptonele lipsite de Caenorhabditis elegans. Știință. reprezentant. 5, 16259; doi: 10, 1038/srep16259 (2015).

Informatii suplimentare

Fișiere Excel

Set de date suplimentare

Set de date suplimentare 2

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.