Смакове та метаболічне сприйняття поживного стресу у дрозофіли PNAS

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Для листування: [email protected]

Відредаговано Майклом Росбашем, Медичний інститут Говарда Хьюза, Університет Брандейса, штат Уолтем, штат Массачусетс, та затверджено 21 січня 2015 р. (Отримано на огляд 14 лютого 2014 р.)

Значимість

Голод викликає набір дорогих поведінкових та метаболічних реакцій, щоб максимізувати можливість пошуку нового джерела поживних речовин. Тому організму вигідно виходити з голодного стану при попаданні їжі. Як тварина знає, коли знайдено джерело їжі, а остаточне голодування малоймовірне? У цій новій роботі розглядається це фундаментальне питання, яке є важливим для розширення нашого розуміння того, як організми інтерпретують інформацію з навколишнього середовища, змінюючи складну поведінку та фізіологію. Ми описуємо інтригуючий механізм, який поєднує інформацію як з сенсорного, так і з метаболічного сприйняття залежно від щільності поживних речовин у джерелі їжі.

Анотація

Втрата сну є адаптивною реакцією на дефіцит поживних речовин, що змінює поведінку, щоб максимізувати шанси на годування до неминучої смерті. Організми повинні підтримувати системи виявлення якості джерела їжі, щоб відновити здоровий рівень сну, коли стрес пом'якшується. Ми визначили, що смакове сприйняття солодкого є як необхідним, так і достатнім для придушення спричиненої голодом втрати сну, коли тварини стикаються з джерелами їжі, бідними поживних речовин. Далі ми виявляємо, що блокування специфічних дофамінергічних нейронів фенокопіює відсутність смакової стимуляції, вказуючи на специфічну роль цих нейронів у передачі інформації про смак до центрів сну в мозку. Нарешті, ми показуємо, що смакове сприйняття необхідне для виживання, особливо в середовищі з низьким вмістом поживних речовин. Загалом, ці результати демонструють важливу роль смакового сприйняття, коли екологічна доступність їжі наближається до нуля, і ілюструють взаємодію між сенсорним та метаболічним сприйняттям поживних речовин у регулюванні поведінкового стану.

Голодування - це стан надзвичайного поживного стресу, що призводить до швидкої смерті. Виявляючи відсутність джерел поживних речовин у навколишньому середовищі, організми використовують кілька стратегій для регулювання розподілу ресурсів, щоб максимізувати шанси знайти джерело їжі, включаючи стимулювання довших пошуків їжі (1) та обмеження поведінки сну (2, 3). Втрата сну при Drosophila melanogaster є характерною реакцією на дефіцит поживних речовин, що з’являється через 12 годин після вилучення джерела їжі; у чоловіків це супроводжується смертю ще через 12 год (2). Вважається, що втрата сну представляє витрати на організм (4 ⇓ –6), і механізми оцінки навколишнього середовища та припинення цієї поведінкової реакції за наявності їжі, швидше за все, дадуть адаптаційну користь. Більш глибоке розуміння того, як організми сприймають та реагують на екологічний стрес, може принести значну користь людям, які намагаються зберегти максимальне здоров'я в умовах дефіциту їжі та нестабільних екологічних умов. Стратегії, що використовуються організмами для оцінки достатності джерела їжі та ініціювання або придушення втрати сну в умовах дуже низьких поживних речовин, залишаються в основному невідомими і представляють один шлях до розуміння глобальної реакції на стрес.

Результати

Поведінка сну регулюється наявністю поживних речовин. (A) Зразок відеосліду положення мухи (самець Canton S) з часом на повноцінному харчуванні (10% цукру: дріжджі, SY10) або після 20-годинного голодування. Вісь y представляє положення польоту в трубці, що лежить горизонтально з відеокамерою вгорі. (B) Поведінка сну (30-хвилинні контейнери) протягом 1-го дня на їжі SY10, а потім 2-го дня на зазначеному тестовому середовищі. (C) Виживання на середовищі для голодування або зазначена кількість d -глюкози. Усі точки з похибками відображають середнє значення ± SEM від 30 до 100 мух.

Одне з альтернативних тлумачень даних, представлених на даний момент, полягає в тому, що втрата сну сама по собі не регулюється, а натомість відбувається по мірі наближення мух до смерті - у будь-який момент часу більша частка мух в середовищах з низьким вмістом поживних речовин буде майже до смерті, ніж їх краще - годували братів і сестер. Дані від мух, що несуть мутацію ΔGr64, ефективно спростовують цю гіпотезу. У перший день годування 50 мМ г-глюкозою мухи ΔGr64 демонструють майже однакову втрату сну до рівня, що спостерігається при використанні голодуючих мух (або ΔGr64, або контроль; рис. 2Б). Однак частка кожної популяції, яка, як передбачається, буде майже смертною, дуже різна; 100% голодуючої популяції помре протягом наступних 24 годин, тоді як менше 5% мутантів, що харчуються 50 мМ, будуть робити це (див. Також рис. 5). Крім того, якщо втрата сну була сильно пов'язана зі смертю, ми очікували б спостерігати її початок набагато пізніше у мутантних тварин ΔGr64 на 50 мМ d -глюкози порівняно з контрольованими голодом, чого не відбувається (рис. 2В). Таким чином, стійка втрата сну у мутантних мух ΔGr64 узгоджується з моделлю, коли тварини регулюють сон на основі сприйняття їжі.

Аномальний профіль реакції сну, який спостерігається у мутантів ΔGr64, можна повторити у тварин, які проживають у ВТ (кантон S), використовуючи альтернативні джерела поживних речовин, які пропонують харчування без стимулювання смакових відчуттів (сорбіт та манноза) (11 ⇓ –13, 19). Ми виявили, що забезпечення вуглеводним харчуванням без солодкості в живильному середовищі призвело до профілю відповіді, який в значній мірі фенокопіював залежну від концентрації реакцію сну смакового мутанта з "голодною" втратою сну при низьких концентраціях поживних речовин у середовищі щодо контрольних груп d -глюкоза (рис. 2F та таблиця S1). Цей дефект було повністю усунуто додаванням неживного підсолоджувача (арабінози або l-глюкози) (11 ⇓ –13) до живильного середовища в поєднанні з маннозою або сорбітом (рис. 2F, рис. S1C і таблиця S1). Як і раніше, ці результати не були зумовлені різницею у споживанні їжі; ми підтвердили наявність синього барвника в черевній порожнині мух, що зазнали впливу всіх концентрацій маннози та сорбіту (рис. S1D). Ці результати додатково підтверджують думку про те, що апетитне смакове сприйняття потрібно для сприяння нормальній поведінці сну, особливо коли низька доступність поживних речовин у навколишньому середовищі.