Низькобілкова дієта збільшує гіпоксичну толерантність до дрозофіли
Пол Віньє
1 Національний інститут Сантезу та дослідницького медікале, Ніцца, Франція,
2 Університет Ніцци Софія Антіполіс, Ніцца, Франція,
Крістіан Фрелін
1 Національний інститут Сантезу та дослідницького медікале, Ніцца, Франція,
2 Університет Ніцци Софія Антіполіс, Ніцца, Франція,
Задумав і спроектував експерименти: CF PV. Виконував експерименти: CF PV. Проаналізовані дані: CF PV. Внесені реагенти/матеріали/інструменти для аналізу: PV. Написав папір: CF.
Анотація
Загальновідомо, що обмеження в харчуванні збільшує тривалість життя різноманітних організмів від дріжджів до ссавців, проте взаємозв'язок між харчуванням та гіпоксичною толерантністю ще не розглядався. Гіпоксія є основною причиною загибелі клітин при інфаркті міокарда та інсульті. Тут ми примусили смерть, пов’язану з гіпоксією, піддавши одноденних дрозофіл чоловічої статі хронічній гіпоксії (5% O2) та проаналізувавши їх виживання. Хронічна гіпоксія зменшила середню тривалість життя з 33,6 дня до 6,3 дня, коли мух годували багатим харчуванням. Демографічний аналіз показав, що хронічна гіпоксія збільшує нахил траєкторії смертності, а не короткочасний ризик смерті. Дієтичне обмеження, спричинене розбавленням їжі, обмеженням дріжджів або обмеженням амінокислот, частково змінило шкідливу дію гіпоксії. Це збільшило тривалість життя гіпоксичних мух до семи днів, що становило близько 25% часу життя гіпоксичної мухи. Для максимального виживання гіпоксичних мух потрібна була лише дієтична сахароза, і вона була нечутлива до таких препаратів, як рапаміцин та ресвератрол, які збільшують довголіття нормоксичних тварин. Таким чином, результати виявляють новий зв’язок між живленням білками, передачею поживних речовин та стійкістю до гіпоксичних стресів.
Вступ
Обмеження у харчуванні (DR) збільшує тривалість життя у різних організмів, таких як дріжджі, нематоди, плодові мухи та ссавці [1] - [3]. У людей це зменшує частоту вікових хронічних захворювань, таких як діабет, рак та серцево-судинні захворювання [4]. Гени-кандидати, що сприяють довголіттю модельних організмів, були ідентифіковані за допомогою генетичних підходів [5] - [11]. Їх продукти беруть участь у передачі сигналів інсуліну, зондуванні поживних речовин та переробці хромосом. Досі невідомо, чи збільшує ДР виживання за одним і тим же механізмом у різних організмів чи після різних дієтичних втручань [12], [13], і чи відповідають механізми, що діють у модельних організмах, для патологічних ситуацій людини. Наприклад, гіпоксія є основною причиною загибелі серцевих та нейрональних клітин при інфаркті міокарда та інсульті. Він встановлює умови, які є унікальними і, можливо, не зустрічаються в інших патологічних ситуаціях, таких як рак або нейродегенеративні захворювання. Визначення механізмів, що сприяють гіпоксичній загибелі клітин, є основною метою розробки нових стратегій, які уповільнюють старіння мозку та серця людини.
Дрозофіли добре підходять для аналізу впливу харчування на гіпоксичну толерантність (i) на відміну від дріжджів або C. elegans, але подібно до людей, мухи є обов'язковими аеробами, (ii) для аналізу демографічних параметрів можна вирощувати великі когорти мух [14], (iii) Дрозофіли переносять триваліший вплив гіпоксичних умов, ніж більшість ссавців [15], [16], (iv) існує щільне збереження гіпоксичних сигнальних шляхів між мухами та ссавцями. Гіпоксія стабілізує фактор транскрипції основного сімейства спіраль-петля-спіраль (HIF-1 у ссавців, Sima у дрозофіли). За нормальної напруги кисню деградація HIF-1/Sima контролюється HIF пролілгідроксилазами, сімейством 2-оксо-глутарат-залежних діоксигеназ, які гідроксилюють ключові залишки проліну в киснезалежному домені деградації HIF-1/Sima. Білок фон Hippel Lindau розпізнає гідроксильовані білки HIF-1 і націлює їх на протеасомну деградацію. В гіпоксичних умовах активність пролілгідроксилаз знижується, HIF-1/Sima більше не гідроксилюється. Він рятується від протеасомної деградації, мігрує до ядра та взаємодіє з реагуючими на гіпоксію елементами в регуляторних областях генів-мішеней [17], [18].
Тут ми піддали чоловічих дрозофіл хронічній гіпоксії (5% O2) та проаналізували їх виживання. Результати показали, що виживання при хронічних гіпоксичних станах сильно залежало від дієтичних умов. Максимальна гіпоксична толерантність вимагала лише джерела харчових вуглеводів, і це було порушено дієтичними білками.
Результати і обговорення
Ми використовували самців дрозофіл з трьох причин: (i) їх тканини складаються з постмітотичних клітин, як і серця та мозок ссавців; (ii) їх виживання не залежить від затрат енергії на виробництво яєць; якість їжі [13].
Вплив хронічної гіпоксії на виживання
Ми піддали одноденних мух хронічній гіпоксії (5% O2) у присутності поживного середовища, що містить 10% сахарози та 10% інактивованих теплом дріжджів (скорочено “10S10Y”). Гіпоксичні мухи зберігали, здавалося б, нормальну активність, але їх виживання було скороченим (рис. 1А). Гіпоксія зменшила середню тривалість життя на> 80% з 33,6 дня до 6,3 дня. Це також зменшило медіану тривалості життя (з 34,5 днів до 5,5 днів) та максимальну тривалість життя (з 44,5 днів до 8,5 днів). Зменшення тривалості життя може бути результатом більш швидкого вікового збільшення рівня смертності (збільшення нахилу траєкторії смертності), збільшення ризику смерті в будь-якому віці (зміна траєкторії смертності) або поєднання двох . Щоб розрізнити ці можливості, ми провели детальний демографічний аналіз. Малюнок 1B показує, що вікова смертність нормоксичних та гіпоксичних мух дотримувалась майже лінійних траєкторій, як очікувалося з моделі Гомперца. Гіпоксія зросла в 5 разів нахилом траєкторії смертності. Звичайна інтерпретація полягає в тому, що лікування збільшувало накопичення незворотних збитків з віком [14].
Мухи, що харчувалися в режимі 10S10Y, піддавалися впливу атмосферного кисню (21% O2) або гіпоксії (5% O2), як зазначено.
(А) Аналіз виживання.
Гіпоксія зменшила середній термін життя з 33,6 ± 0,8 днів (n = 79) до 6,3 ± 0,1 днів (n = 282).
(Б) Вікова специфічна смертність.
Гіпоксія збільшилася в п’ять разів нахилом репрезентації, що свідчить про прискорене старіння.
Інший спосіб прискорити старіння - це підвищення температури [14]. Тому ми перевірили, чи зменшило зниження температури ефект гіпоксії. Зниження температури з 25 ° С до 18 ° С зменшило активність мух і збільшило їх виживання, зменшивши нахил траєкторії смертності (не показано). Зниження температури збільшило середню тривалість життя мух в однаковій мірі за нормоксичних (у 2,2 рази з 33,6 дня до 75,7 ± 3,1 доби, n = 89) та гіпоксичних умов (у 2,2 рази від 6,3 до 14,1 ± 0,4 доби, n = 194). Таким чином, гіпоксія та підвищена температура мали незалежні та адитивні дії на тривалість життя дрозофіли.