Генетична модуляція довкілля та збільшення ваги у мишачих сімейств BXD bioRxiv

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Запис ORCID для Роберта В. Вільямса
Для листування: [email protected]

Анотація

Вступ

Довголіття є однією з найбільш різнорідних рис. Відмінності в тривалості життя залежать від складних незліченних взаємодій ген-середовище (GXE) (de Magalhães et al., 2012, Kuningas et al., 2008, McDaid et al., 2017, Hook et al., 2018). Харчування, звичайно, має глибокий вплив на здоров'я та тривалість життя (Фонтана та Партрідж, 2015). По відношенню до дієти ad libitum, обмеження калорій та періодичне голодування покращують тривалість життя та здоров’я (огляд Heilbronn and Ravussin, 2003; Liang et al., 2018; Speakman et al., 2016). Ефекти обмеженої дієти та періодичного голодування не цілком залежать від структури споживання калорій, але залежать від складу макро- та мікроелементів, кількості часу, проведеного в різних метаболічних станах, віку початку, статі та, можливо, найбільш важливого для нас, відмінності в генотипі (Vaughan et al., 2018) та взаємодії генів за дієтою (Barrington et al., 2018).

Миша - відмінна модель ссавців для досліджень на межі метаболізму та старіння, використовуючи більшість генів, що кодують білок, з людьми (Pennacchio and Rubin, 2003), але з набагато коротшим життєвим циклом, що дозволяє проводити дослідження довголіття в контрольованих середовищах та в різних експериментальні та дієтичні умови (Miller et al., 2007), (Yuan et al., 2011), (Strong et al., 2013). Однак більшість досліджень на гризунах не включають рівень генетичної складності, характерний для людських популяцій (Saul et al., 2019; Williams, 2006; Williams and Williams, 2017). Вплив варіантів ДНК та дієтичних, наркотичних чи екологічних збурень зазвичай вивчають на одному геномі - часто C57BL/6. Ця вузька спрямованість значно компрометує трансляційну корисність відкриттів. Для вирішення цієї проблеми ми покладаємось на велику родину штамів мишей BXD, які розділяються на понад 6 мільйонів варіантів (Peirce et al., 2004), (Wang et al., 2016). У сукупності сім'я також включає вражаючий рівень варіацій у фенотипах, пов'язаних зі старінням, метаболізмом та експресією генів у печінці, м'язах, мозку та багатьох інших тканинах і типах клітин (Williams et al., 2014), (Houtkooper et al. ., 2013), (Andreux et al., 2012), (Houtkooper et al., 2011), (Gelman et al., 1988), (De Haan and Van Zant, 1999).

Попередні дослідження BXD (Gelman et al., 1988; Lang et al., 2010) демонструють щонайменше двократну варіацію тривалості життя за стандартною дієтою - приблизно від 12-15 місяців для найкоротше прожитих штамів до 30 місяців найдовшого жили штами. У цих дослідженнях звичайні спадковість тривалості життя сягають 25–45%, але ефективні спадкові властивості (h 2 RI), що враховують глибину передискретизації (n = 8-12 повторностей/геном), сягають 80% (Belknap, 1998; Hook et al., 2018). Сім'я BXD особливо добре підходить для вивчення взаємодій GXE, оскільки різноманітні, але ідеально підібрані когорти можна лікувати паралельно, використовуючи різні дієти (Rikke et al., 2010, Hall et al., 2014, Andreux et al., 2012, Williams et al. ., 2016; Wu et al., 2014). Вплив генетичних змін було добре вивчено в контексті дієтичного складу та обмеження калорій на тривалість життя (Finkel, 2015, Keipert et al., 2011; Skorupa et al., 2008). Однак ключові результати залишаються суперечливими. Хоча обмеження калорій, безсумнівно, є вигідним для збільшення середнього довголіття, є вагомі докази того, що такі ефекти не є універсальними і що певні особини та геноми не приносять користі у всіх середовищах (Barrington et al., 2018; Liao et al., 2010; Мітчелл та ін., 2016; Рікке та ін., 2010).

У цьому дослідженні ми виміряли тривалість життя і масу тіла у великій когорті повністю послідовно розділених і дуже різноманітних штамів мишей, які входять до сімейства BXD (Pierce et al., 2004; Ashbrook et al., 2019). Ми вивчали жінок у добре контрольованому середовищі за двома дієтами, які сильно відрізнялися за вмістом жиру - тими, хто сидів на стандартній дієті чау з низьким вмістом жиру (18% калорій з жиру), і тим, хто на дієті з високим вмістом жиру (60% від жиру) . Наскільки нам відомо, це найбільший експеримент GXE щодо впливу високого вмісту жиру на довголіття та зміни ваги, і включає відповідні дані для 1348 випадків та 76 генотипів BXD.

Ми розглядаємо такі питання:

Який середній вплив дієти з високим вмістом жирів, яка в іншому випадку добре збалансована за вмістом білка, впливає на тривалість життя всієї родини?

Наскільки генотип штаму модулює ефекти дієти з високим вмістом жирів щодо стандартної дієти з низьким вмістом жиру? Іншими словами: яка сила доказів на користь впливу GXE на тривалість життя?

Чи передбачає маса тіла в молодому зрілому віці (~ 120 днів) прогнозування довголіття або зміна маси тіла у відповідь на хронічну дієту з високим вмістом жиру є сильнішим предиктором довголіття?

Якою мірою збільшення ваги як такої пов’язане із зменшенням тривалості життя і як різниця між збільшеннями ваги залежить від штамів?

Чи сама дієта модулює тривалість життя після контролю над збільшенням ваги в сім’ї або в напрузі?

Методи

Тварини та дієти

Тварин вирощували та розміщували у спеціальному приміщенні, що не містить патогенів (SPF), в UTHSC (Мемфіс, Теннессі), при температурі 20–24 ° C за 12-годинного світлового циклу. В ході нашого дослідження зразки сироватки у мишей-сторожових щоквартально тестували на такі патогени - вірус ектомелії, епізоотичну діарею немовлят (EDIM), лімфоцитарний хоріоменінгіт (LCM), Mycoplasma pulmonis, вірус мишачого гепатиту (MHV), мурино-норовірус (MNV), мишачий парвовірус (MPV), хвилинний вірус мишей (MVM), вірус пневмонії мишей (PVM), респіраторно-кишковий вірус III (REO3), Сендай та мишачий енцефаломієліт Theiler (TMEV GDVII). Напіврічні некропсії проводяться для дослідження ендопаразитів шляхом мікроскопічного дослідження вмісту кишечника та препаратів анальної стрічки та ектопаразитів методом прямого мікроскопічного дослідження на шкірку. Всі такі тести були негативними протягом експериментального курсу.

Основна увага в цьому дослідженні зосереджена на загальному впливі дієти на вагу та тривалість життя у сімействі BXD, а не на генетичному контролі довголіття або ваги як такої. У деяких аспектах наш дизайн дослідження швидше нагадує спостережливу перспективну когорту, а не експеримент з контрольованими тваринами - головна причина полягає в тому, що випадки потрапляли в колонію старіння та на кінці HFD дослідження у різному віці. З цієї причини ми використовували методи аналізу даних спостережень з незначними змінами.

З жовтня 2011 р. По грудень 2018 р. Тварини обох батьківських штамів, C57BL/6J та DBA/2J, та штами BXD were76 спостерігалися від їх переміщення з великої колонії розмноження у колонію старіння (зазвичай близько 120 ± 66 днів життя). але з широким діапазоном, від 26 днів до 358 днів) до їх смерті. Спочатку всіх тварин виховували дамби на дієті чау. Самки витримувались групами до 10 у поліпропіленових клітках (935 см 2), забезпечених м’яким качановим покривом Envigo Teklad 7087. Тваринам була надана або стандартна дієта чау з низьким вмістом жиру (CD, Envigo Teklad Global 2018, 18,6% білка, 18% калорій з жиру, 6,2% жиру (з ефіром), 3,1 ккал/г), або широко використовувана синя жирна з високим вмістом жиру дієта (HFD, Envigo Teklad TD06414, 18,4% білка, 60,3% калорій із сала, 37% насичених, 47% мононенасичених, 16% поліненасичених жирів, 5,1 ккал/г). Тварини мали вільний доступ до їжі та міської водопровідної води з водоносного шару.

Всього ми вивчили 1348 осіб (n = 663 на CD, n = 685 на HFD). Тварин маркували за допомогою вушних бирок, а особам випадковим чином призначали дієту чау чи жирних продуктів. Вихідну вагу вимірювали при вступі в дослідження. 77% (n = 527) тварин починали хворіти на ВЧС у віці від 50 до 185 днів, але деякі починали дотримуватися дієти у віці до 26 днів або до 358 днів. Менше 2% тварин (n = 12) були поміщені на HFD у віці більше 365 днів, і вони не були включені в аналіз. Менше 20% тварин були селекціонерами-пенсіонерами, які взяли участь у дослідженні у віці 180+ днів. Кожну тварину зважували з точністю до 0,1 грама кожен другий місяць від початку дієти до смерті. Окрему субпопуляцію 662 тварин (n = 333 на CD, n = 329 на HFD) від відповідних штамів BXD жертвували в певні моменти часу (6, 12, 18 і 24 місяці) для збору тканин протягом обох дієт когорти (Williams EG et al., за поданням). Дані про вагу органів у віці 18 місяців від цих тварин були включені в аналіз для цього дослідження. Колонія старіння в UTHSC все ще функціонує, але для цього аналізу ми розглядаємо лише тварин, що загинули, з квітня 2012 р. По листопад 2018 р.