Взаємодії генотипів за дієтою сприяють варіації метаболічного фенотипу у Drosophila melanogaster
Анотація
МЕТАБОЛІЧНИЙ синдром (MetS) є складною хворобою, яка сприяє взаємодії між генетичними та екологічними ефектами (O 'R ahilly та F arooqi 2006), і, схоже, зростає поширеність у відповідь на перехід від традиційного способу життя до західного (L ee та ін. 2004; S chulz та ін. 2006). MetS - це сузір’я метаболічних симптомів, включаючи інсулінорезистентність, абдомінальне ожиріння та дисліпідемію, і передбачає серцево-судинні захворювання та діабет типу 2 (A lberti et al. 2006). Захворювання набуло масштабів епідемії у багатьох західних країнах (I somaa et al. 2001; Ford and G iles 2003; L orenzo et al. 2003; A lberti et al. 2006). Не всі особи сприйнятливі до згубних наслідків західного способу життя, але деякі особи дуже чутливі до впливу навколишнього середовища (S chulz et al. 2006).
Раніше ми стверджували, що збурення навколишнього середовища сприяє недавньому зростанню хронічних захворювань у західних суспільствах, викриваючи загадкові генетичні зміни, явище, яке може бути особливо очевидним при метаболічному синдромі (G ibson 2009). Зростання складних захворювань після зсуву навколишнього середовища може бути спричинено як зміною середнього показника популяції, так і збільшенням дисперсії схильних основних ознак, або ендофенотипом, в результаті чого більша частина популяції перевищує поріг захворювання (G ibson and R eed 2008 ). Ендофенотипи можуть бути молекулярними, такі як швидкість поглинання глюкози в клітини, але також включати видимі коваріати захворювання, такі як маса тіла. Перехід від традиційних дієт та способу життя, можливо, порушив наш метаболічний гомеостаз, сприяючи тим самим підвищеній сприйнятливості до ожиріння, гіперліпідемії, діабету та серцево-судинних захворювань та, в свою чергу,.
Складність генетичної та екологічної взаємодії призводить до головних проблем у успішних стратегіях лікування та профілактики захворювань, оскільки дуже важко точно моделювати відносний внесок природи та виховання у сприйнятливість до захворювань у людській популяції. Було продемонстровано, що дієтичні фактори взаємодіють із конкретними генетичними варіантами для збільшення ризику метаболічних захворювань у людей (C orella та O rdovas 2005; O rdovas 2006; C orella et al. 2009; W arodomwichit et al. 2009), але відносна Внесок загального генотипу та впливу на довкілля на людські зміни важко визначити. Моделювання взаємодії генотипу на рівні середовища за допомогою модельного організму, такого як дрозофіла, може компенсувати дослідницькі завдання оцінки параметрів у людських популяціях.
Дрозофіла поділяє велику гомологію з людиною в ряді систем, включаючи центральний обмін речовин, шляхи передачі сигналу про інсулін та органи, що відповідають за фізіологічний гомеостаз (наприклад, серце, печінка та нирки) (R izki 1978; B розмі 1995; N ation 2002; R ulifson et al. 2002; D enholm et al. 2003; W essells et al. 2004). Було показано, що дрозофіла з аблятованими нейронами, що продукують інсулін, мають підвищений рівень гемолімфи трегалози, що вважається паралельним діабетичному фенотипу (R ulifson et al. 2002). Втрата сигналів інсуліну також відновлює нормальну ритмічність серцебиття дорослих у старих мух (W essells et al. 2004), забезпечуючи зв'язок між ожирінням та серцевими компонентами MetS. Ми використали 146 природних генетичних ізолятів Drosophila melanogaster для моделювання відносного внеску генетики, дієти та інших впливів на навколишнє середовище на MetS-подібні фенотипи збільшення маси личинок, концентрації цукру в крові, зберігання ліпідів та виживання. Людей з кожної з цих генетичних ліній виховували на чотирьох різних дієтах: їх нормальна лабораторна їжа, їжа з обмеженим вмістом калорій (0,75% глюкози), їжа з високим вмістом глюкози (4%) та дієта з високим вмістом жиру, що містить (3%) кокосової олії.
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ
Експериментальні лінії:
146 експериментальних ліній, використаних у цьому дослідженні, були отримані з інбредних ізосамінних ліній, спочатку зібраних у двох диких популяцій влітку 2004 року, однієї із Вест-Енду, Північна Кароліна, а іншої - Мартіна Крейтмана поблизу Черріфілда, штат Мен. Лінії були виведені 15–20 поколіннями повнозріджених спаровувань. Конкретні оцінки генетичних ефектів у цій моделі безпосередньо не застосовуються до безпородних популяцій, оскільки інбридинг усунув ефекти домінування. Тим не менше, широкі закономірності генетичних змін, що спостерігаються в цій моделі, оцінюють адитивні та підгрупні епістатичні ефекти, що існують у безпородних популяціях.
Дієтичні процедури:
Личинок вирощували з ранніх перших до пізніх третіх стадій (для вимірювання вуглеводів ліпідів та гемолімфи) та зрілих лялечок для вимірювання ваги та виживання при щільності 50 на флакон відповідно до їх дієти для лікування. Набори з п'яти флаконів запускали одночасно для кожного лікування (генетична лінія та дієта) та повторювали, з яких три флакони використовували для фенотипів личинок та два для фенотипів лялечки.
Фенотипові вимірювання:
Для фенотипічних вимірювань личинок личинки третього періоду, об’єднані з трьох експериментально однакових флаконів, голодували протягом 6 годин перед заморожуванням для аналізу вуглеводів тригліцеридів та гемолімфи (у трьох незалежних повторностях за кожну обробку для кожного фенотипу). Загальний вміст тригліцеридів визначали на гомогенатах шести випадково відібраних личинок за допомогою набору для визначення тригліцеридів Sigma та 96-лункового спектрофотометра (C lark and K eith 1988; D e L uca et al. 2005). Комахи використовують цукор трегалозу, що циркулює в гемолімфі, як первинну молекулу для зберігання та доставки потенційної енергії до тканин (W yatt 1961). Трегалоза - це дисахарид, який легко розщеплюється трегалазою на дві глюкози, щоб зробити глюкозу доступною для гліколізу (Нація 2002). Концентрацію вуглеводів гемолімфи визначали на об'єднаній гемолімфі з більш ніж 20 личинок на зразок, збирали капілярною трубкою, потім обробляли трегалазою, а результуючу концентрацію глюкози визначали за допомогою набору для визначення глюкози Sigma та 96-лункового спектрофотометра (R ulifson et al. . 2002).
Вага вологого пупала досить постійний протягом усієї стадії лялечки (C hurch і R obertson 1966) і становить вагу личинки пізньої третьої стадії, яка продула вміст кишечника (A shburner et al. 2005). Це надійний показник маси тіла, накопиченої під час розвитку личинок, перед незмінними факторами годівлі та розмноження дорослих. Вологі ваги лялечок визначали індивідуально для до 15 чистих і зрілих (протягом 12 годин після еклозії, коли можна легко спостерігати статеві гребінці) лялечок чоловічої статі на флакон для кожного з двох флаконів за кожну обробку та повторне використання, використовуючи вагу Mettler Toledo XS105. Виживання личинок розраховували як частку вихідних 50 личинок першого віку на флакон для досягнення окукливания, тоді як виживання лялечок було часткою лялечок для досягнення зрілості у кожному флаконі. Показано, що виживання після окукливания є функцією якості харчування та не суворо залежить від ваги личинок (de M oed et al. 1999). Час розвитку розраховували як час від личинок першого віку до першої зрілої лялечки і вимірювали лише навесні. Поведінка живлення личинок, зафіксована тут як «довжина шляху», вимірювалася на підмножині з 22 ліній, оскільки відстань, яку пройшла личинка середини третього періоду на дріжджовій пасті за 5 хв, з 20 личинками на штам, відтвореними протягом 5 днів поспіль (O sborne та ін., 1997).