Modulare gen-de-mediu a longevității și creșterii în greutate în familia BXD murină bioRxiv

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Record ORCID pentru Robert W. Williams
Pentru corespondență: [email protected]

Abstract

Introducere

Longevitatea se numără printre cele mai eterogene trăsături. Diferențele de durată a vieții sunt dependente de nenumărate interacțiuni complexe genă-mediu (GXE) (de Magalhães și colab., 2012; Kuningas și colab., 2008; McDaid și colab., 2017; Hook și colab., 2018). Desigur, nutriția are o influență profundă asupra sănătății și a duratei de viață (Fontana și Partridge, 2015). Comparativ cu o dietă ad libitum, restricția calorică și postul intermitent îmbunătățesc durata de viață și sănătatea (revizuite de Heilbronn și Ravussin, 2003; Liang și colab., 2018; Speakman și colab., 2016). Efectele dietelor restrânse și ale postului intermitent nu depind în totalitate de tiparele de aport caloric, dar depind de compoziția macro și a micronutrienților din dietă, de cantitatea de timp petrecut în diferite stări metabolice, de vârsta de debut, de sex și poate de cea mai importantă importanță pentru noi., diferențe în genotip (Vaughan și colab., 2018) și interacțiunile genă-dietă (Barrington și colab., 2018).

Șoarecele este un model excelent de mamifere pentru cercetări la interfața metabolismului și a îmbătrânirii, împărtășind majoritatea genelor care codifică proteinele cu oamenii (Pennacchio și Rubin, 2003), dar cu un ciclu de viață mult mai scurt, care permite studii de longevitate în medii controlate și sub diferite condiții experimentale și dietetice (Miller și colab., 2007), (Yuan și colab., 2011), (Strong și colab., 2013). Cu toate acestea, majoritatea studiilor de rozătoare nu încorporează nivelul de complexitate genetică care este tipic pentru populațiile umane (Saul și colab., 2019; Williams, 2006; Williams și Williams, 2017). Efectele variantelor ADN și ale perturbărilor dietetice, medicamentoase sau de mediu sunt de obicei studiate pe un singur genom - adesea C57BL/6. Această concentrare restrânsă compromite în mare măsură utilitatea translativă a descoperirilor. Pentru a aborda această problemă, ne bazăm pe familia numeroasă de tulpini BXD de șoareci care separă peste 6 milioane de variante (Peirce și colab., 2004), (Wang și colab., 2016). Colectiv, familia încorporează, de asemenea, un nivel impresionant de variație a fenotipurilor legate de îmbătrânire, metabolism și expresia genelor în ficat, mușchi, creier și multe alte țesuturi și tipuri de celule (Williams și colab., 2014), (Houtkooper și colab ., 2013), (Andreux și colab., 2012), (Houtkooper și colab., 2011), (Gelman și colab., 1988), (De Haan și Van Zant, 1999).

Studiile anterioare ale BXD (Gelman și colab., 1988; Lang și colab., 2010) demonstrează cel puțin două ori variații ale duratei de viață pe o dietă standard - de la aproximativ 12-15 luni pentru tulpinile cu cea mai scurtă durată până la 30 de luni pentru cea mai lungă tulpini trăite. În aceste studii, eritabilitățile convenționale ale duratei de viață sunt de până la 25-45%, dar ereditățile eficiente (h 2 RI) care reprezintă adâncimea eșantionării (n = 8 până la 12 replicate/genom) sunt de până la 80%, 1998; Hook și colab., 2018). Familia BXD este deosebit de potrivită pentru a studia interacțiunile GXE, deoarece cohorte diverse, dar perfect potrivite, pot fi tratate în paralel folosind diferite diete (Rikke și colab., 2010; Hall și colab., 2014; Andreux și colab., 2012, Williams și colab. ., 2016; Wu și colab., 2014). Efectul variației genetice a fost bine studiat în contextul compoziției dietetice și al restricției calorice asupra duratei de viață (Finkel, 2015; Keipert și colab., 2011; Skorupa și colab., 2008). Cu toate acestea, rezultatele cheie rămân controversate. În timp ce restricția calorică este, fără îndoială, avantajoasă în creșterea longevității în medie, există dovezi bune că astfel de efecte nu sunt universale și că anumiți indivizi și genomi nu beneficiază în toate mediile (Barrington și colab., 2018; Liao și colab., 2010; Mitchell și colab., 2016; Rikke și colab., 2010).

În acest studiu, am măsurat longevitatea și greutatea corporală într-o cohortă mare de tulpini complet secvențiate și foarte diverse de șoareci care fac parte din familia BXD (Pierce și colab., 2004; Ashbrook și colab., 2019). Am studiat femelele într-un mediu bine controlat pe două diete care diferă foarte mult în ceea ce privește conținutul de grăsimi - cele care urmează o dietă standard cu un conținut scăzut de grăsimi (18% din caloriile din grăsimi) și cele pe o dietă bogată în grăsimi (60% cal din grăsimi) . Din câte știm, acesta este cel mai mare experiment GXE asupra efectelor unei grăsimi ridicate asupra longevității și a modificărilor de greutate și include date potrivite pentru 1348 de cazuri și 76 de genotipuri BXD.

Ne adresăm următoarelor întrebări:

Care este impactul mediu al unei diete foarte bogate în grăsimi, altfel bine echilibrată pentru conținutul de proteine, asupra longevității în întreaga familie?

În ce măsură genometrul tulpinii modulează efectele dietei bogate în grăsimi în raport cu dieta standard cu conținut scăzut de grăsimi? Altfel spus: Care este forța dovezilor în favoarea efectelor GXE asupra longevității?

Greutatea corporală inițială la vârsta adultă tânără (aproximativ 120 de zile) prezice longevitatea sau modificarea greutății corporale ca răspuns la o dietă cronică bogată în grăsimi este un predictor mai puternic al longevității?

În ce măsură creșterea în greutate este legată în sine de o reducere a longevității și cum variază creșterea în greutate între tulpini?

Dieta în sine modulează longevitatea după controlul creșterii în greutate în întreaga familie sau în tulpină?

Metode

Animale și diete

Animalele au fost crescute și adăpostite într-o instalație specifică fără patogeni (SPF) la UTHSC (Memphis, TN), la temperatura de 20-24 ° C pe un ciclu de lumină de 12 ore. În cursul studiului nostru, probele de ser de la șoareci santinelă au fost testate trimestrial pentru următorii agenți patogeni - virusul Ectromelia, diareea epizootică a șoarecilor sugari (EDIM), coromiaringita limfocitară (LCM), Mycoplasma pulmonis, virusul hepatitei șoarecelui (MHV), Norovirus murin (MNV), Parvovirus șoarece (MPV), Virus minut de șoareci (MVM), Virus pneumonie de șoareci (PVM), Virus respirator enteric III (REO3), Sendai și Encefalomielita murină a lui Theiler (TMEV GDVII). Au fost efectuate necropsii semestriale pentru a testa endoparaziții prin examinarea microscopică a conținutului intestinal și a preparatelor de bandă anală și a ectoparaziților prin examinare microscopică directă a pielii. Toate aceste teste au fost negative pe tot parcursul experimentului.

Acest studiu se concentrează asupra efectelor generale ale dietei asupra greutății și longevității în familia BXD, mai degrabă decât asupra controlului genetic al longevității sau greutății în sine. În unele aspecte, proiectarea studiului nostru seamănă mai degrabă cu o cohortă prospectivă de observație decât cu un experiment controlat pe animale - principalul motiv fiind că cazurile au fost introduse în colonia de îmbătrânire și pe membrele HFD ale studiului la diferite vârste. Din acest motiv, am folosit metode de analiză a datelor observaționale cu modificări minore.

Din octombrie 2011 până în decembrie 2018, animalele din ambele tulpini parentale, tulpinile C57BL/6J și DBA/2J și,76 BXD au fost urmate de la mutarea lor dintr-o colonie mare de reproducere în colonia de îmbătrânire (de obicei în jurul vârstei de 120 ± 66 de zile) dar cu o gamă largă, de la 26 de zile la 358 de zile) până la moartea lor. Toate animalele au fost inițial crescute de baraje în dieta chow. Femelele au fost îmbătrânite în grupuri de până la 10 în cuști din polipropilenă (935 cm 2) aprovizionate cu așternut moale Envigo Teklad 7087. Animalelor li s-a furnizat fie o dietă standard cu conținut scăzut de grăsimi (CD, Envigo Teklad Global 2018, 18,6% proteine, 18% calorii din grăsimi, 6,2% grăsimi (extracție cu eter), 3,1 kcal/g), fie un albastru cu conținut ridicat de grăsimi. dietă (HFD, Envigo Teklad TD06414, 18,4% proteine, 60,3% calorii din untură, 37% saturate, 47% monoinsaturate, 16% grăsimi polinesaturate, 5,1 kcal/g). Animalele aveau acces ad libitum la alimente și la apa de la robinet municipală provenită din acvifere.

Am studiat un total de 1348 de indivizi (n = 663 pe CD, n = 685 pe HFD). Animalele au fost etichetate folosind crotalii, iar indivizii au fost repartizați în mod aleatoriu la dieta chow sau bogată în grăsimi. Greutatea inițială a fost măsurată la intrarea în studiu. 77% (n = 527) dintre animale au început HFD la vârste cuprinse între 50-185 de zile, dar unele au început să urmeze dieta la vârste de până la 26 de zile sau până la 358 de zile. Mai puțin de 2% dintre animale (n = 12) au fost plasate pe HFD la o vârstă mai mare de 365 de zile, iar acestea nu au fost incluse în analiză. Mai puțin de 20% dintre animale erau crescători pensionari care au intrat în studiu la vârsta de peste 180 de zile. Fiecare animal a fost cântărit la cel mai apropiat 0,1 grame la fiecare două luni, de la începutul dietei până la moarte. O subpopulație separată de 662 de animale (n = 333 pe CD, n = 329 pe HFD) din tulpini BXD potrivite au fost sacrificate la anumite momente de timp (6, 12, 18 și 24 de luni) pentru colectarea țesuturilor în ambele diete cohorte (Williams EG și colab., în supunere). Datele privind greutatea organelor la vârsta de 18 luni de la aceste animale au fost incluse în analiza acestui studiu. Colonia îmbătrânită de la UTHSC este încă în funcțiune, dar pentru această analiză luăm în considerare doar animalele cu decese în perioada aprilie 2012 - noiembrie 2018.