Interacțiunile genotip-după-dietă determină variația fenotipului metabolic în Drosophila melanogaster
Abstract
Sindromul METABOLIC (MetS) este o boală complexă care este promovată de interacțiunile dintre efectele genetice și de mediu (O 'R ahilly și F arooqi 2006) și pare să crească în prevalență ca răspuns la o tranziție de la stilul de viață tradițional la cel occidentalizat (L ee și colab. 2004; S chulz și colab. 2006). MetS este o constelație de simptome metabolice, inclusiv rezistența la insulină, obezitate abdominală și dislipidemie, și este predictiv al bolilor cardiovasculare și al diabetului de tip 2 (A lberti și colab. 2006). Condiția a atins proporții epidemice în multe țări occidentalizate (I somaa și colab. 2001; F ord și G iles 2003; L orenzo și colab. 2003; A lberti și colab. 2006). Nu toți indivizii sunt susceptibili la efectele dăunătoare ale unui stil de viață occidentalizat, dar unii indivizi sunt foarte sensibili la efectele mediului lor (S chulz și colab. 2006).
Am susținut anterior că perturbarea mediului contribuie la creșterea recentă a bolilor cronice în societățile occidentalizate prin expunerea variației genetice criptice, fenomen care poate fi deosebit de evident în sindromul metabolic (G ibson 2009). Creșterile bolii complexe după o schimbare a mediului pot fi cauzate atât de o modificare a mediei populației, fie de o variație crescută a unei trăsături subiacente predispozante, sau endofenotip, determinând o porțiune mai mare a populației să depășească pragul bolii (G ibson și R eed 2008 ). Endofenotipurile pot fi moleculare, cum ar fi rata de absorbție a glucozei în celule, dar includ și covariabile vizibile ale bolii, cum ar fi masa corporală. Tranziția de la dietele și stilurile de viață tradiționale ar fi putut să ne deranjeze homeostazia metabolică, promovând astfel o susceptibilitate crescută și, la rândul său, prevalența obezității, hiperlipidemiei, diabetului și bolilor cardiovasculare.
Complexitatea interacțiunilor genetice și de mediu duce la provocări majore în strategiile de succes și de prevenire a tratamentului bolii, în sensul că este foarte dificil să se modeleze cu precizie contribuțiile relative ale naturii și să se hrănească la susceptibilitatea bolii la o populație umană. S-a demonstrat că factorii dietetici interacționează cu variante genetice specifice pentru a crește riscul bolilor metabolice la om (C orella și O rdovas 2005; O rdovas 2006; C orella și colab. 2009; W arodomwichit și colab. 2009), dar relativul contribuția genotipului general și a efectelor asupra mediului asupra variației umane este dificil de determinat. Modelarea interacțiunilor la nivel de populație genotip-mediu folosind un organism model ca Drosophila poate compensa provocările de cercetare ale estimării parametrilor la populațiile umane.
Drosophila are o omologie deosebită pentru oameni într-o serie de sisteme, inclusiv metabolismul central, căile de semnalizare a insulinei și organele responsabile de homoeostaza fiziologică (de exemplu, inima, ficatul și rinichii) (R izki 1978; B odmer 1995; N aziunea 2002; R ulifson și colab. 2002; D enholm și colab. 2003; W essells și colab. 2004). S-a demonstrat că Drosophila cu neuroni ablatori producători de insulină au niveluri crescute de hemolimfă trehaloză, considerate paralele cu un fenotip diabetic (R ulifson și colab. 2002). Pierderea semnalizării insulinei restabilește ritmicitatea normală a ritmului cardiac al adulților la muștele vechi (W essells și colab. 2004), oferind o legătură între obezitate și componentele cardiace ale MetS. Am folosit 146 de izolate genetice naturale de Drosophila melanogaster pentru a modela contribuțiile relative ale geneticii, dietei și altor efecte asupra mediului asupra fenotipurilor similare MetS ale creșterii în greutate larvare, a concentrației zahărului din sânge, a depozitării lipidelor și a supraviețuirii. Persoanele din fiecare dintre aceste linii genetice au fost crescute în patru diete diferite: alimentele lor normale de laborator, un aliment cu restricții calorice (0,75% glucoză), un aliment bogat în glucoză (4%) și o dietă bogată în grăsimi care conține (3%) ulei de cocos.
MATERIALE ȘI METODE
Linii experimentale:
Cele 146 de linii experimentale utilizate în acest studiu au fost derivate din liniile consanguine isofemale colectate inițial din două populații sălbatice în vara anului 2004, una din West End, Carolina de Nord, iar cealaltă colectată de Martin Kreitman lângă Cherryfield, Maine. Liniile au fost consangvinizate de 15-20 de generații de împerechere plină. Estimările specifice ale efectelor genetice din acest model nu se aplică direct populațiilor extrase, deoarece consangvinizarea a eliminat efectele de dominanță. Cu toate acestea, modelele largi ale variației genetice observate în acest model estimează aditivul și un subset de efecte epistatice prezente la populațiile extrase.
Tratamente dietetice:
Larvele au fost crescute de la primele instări timpurii până la sfârșitul celui de-al treilea stadiu (pentru măsurarea lipidelor și a hemolimfei carbohidraților) și pupe mature pentru măsurarea greutății și supraviețuirii la o densitate de 50 pe flacon în dieta lor de tratament respectivă. Seturi de cinci flacoane au fost începute în același timp pentru fiecare tratament (linie genetică și dietă) și replicate, din care au fost utilizate trei flacoane pentru fenotipurile larvare și două pentru fenotipurile pupale.
Măsurători fenotipice:
Pentru măsurătorile fenotipice larvelor, larvele din stadiul al treilea reunite din trei flacoane identice din punct de vedere experimental au fost postite timp de 6 ore înainte de a fi înghețate pentru testarea glucidelor trigliceride și hemolimfice (în trei replici independente pe tratament pentru fiecare fenotip). Conținutul total de trigliceride a fost determinat pe omogenate de șase larve selectate aleatoriu utilizând trusa de determinare a trigliceridelor Sigma și un spectrofotometru cu 96 de godeuri (C lark și K eith 1988; D e L uca și colab. 2005). Insectele folosesc zahărul trehaloză, care circulă în hemolimfă, ca moleculă primară pentru stocarea și furnizarea de energie potențială țesuturilor (W yatt 1961). Trehaloza este o dizaharidă care se descompune cu ușurință în două glucoze de trehalază pentru a face glucoza disponibilă pentru glicoliză (N acțiunea 2002). Concentrația de carbohidrați de hemolimfă a fost determinată pe hemolimfă combinată din mai mult de 20 de larve pe probă, colectată prin tub capilar și apoi tratată cu trehalază, iar concentrația de glucoză rezultată a fost determinată de trusa de determinare a glucozei Sigma și de un spectrofotometru cu 96 de godeuri (R ulifson și colab.) . 2002).
Greutatea umedă pupală este destul de constantă pe tot parcursul stadiului pupal (C hurch și R obertson 1966) și este greutatea larvei de a treia etapă, care și-a purificat conținutul intestinal (A shburner și colab. 2005). Este un indicator fiabil al greutății corporale acumulate în timpul dezvoltării larvelor înainte de factorii de confuzie ai hrănirii și reproducerii adulților. Greutățile umede ale puilor au fost determinate individual pentru până la 15 curate și mature (în decurs de 12 ore de la ecluzie, când pieptenii sexuali pot fi observați cu ușurință) pupe masculine pe flacon pentru fiecare dintre cele două flacoane pe tratament și replică, utilizând o balanță Mettler Toledo XS105. Supraviețuirea larvelor a fost calculată ca proporție a primelor 50 de larve inițiale inițiale pe flacon pentru a atinge pupația, în timp ce supraviețuirea pupală a fost proporția pupelor care au atins maturitatea în fiecare flacon. Supraviețuirea până la pupație s-a dovedit a fi o funcție a calității dietei și nu depinde strict de greutatea larvelor (de M oed și colab. 1999). Timpul de dezvoltare a fost calculat ca timpul de la larvele din primul moment până la prima pupă matură și a fost măsurat doar în replică de primăvară. Comportamentul de hrănire a larvelor, capturat aici ca „lungimea drumului”, a fost măsurat pe un subgrup de 22 de linii pe măsură ce distanța parcursă de o larvă de la jumătatea treilea instar pe o pastă de drojdie în 5 minute cu 20 de larve pe tulpină replicată în 5 zile consecutive (O sborne și colab., 1997).