O dietă cu conținut scăzut de proteine crește toleranța hipoxică în Drosophila
Paul Vigne
1 Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, Nisa, Franța,
2 Universitatea din Nisa Sophia Antipolis, Nisa, Franța,
Christian Frelin
1 Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, Nisa, Franța,
2 Universitatea din Nisa Sophia Antipolis, Nisa, Franța,
Conceput și proiectat experimentele: CF PV. Realizarea experimentelor: CF PV. Analiza datelor: CF PV. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: PV. A scris lucrarea: CF.
Abstract
Restricția alimentară este bine cunoscută pentru a crește durata de viață a unei varietăți de organisme de la drojdie la mamifere, dar relațiile dintre nutriție și toleranța hipoxică nu au fost încă luate în considerare. Hipoxia este o cauză majoră a morții celulare în infarctul miocardic și accidentul vascular cerebral. Aici am forțat moartea legată de hipoxie expunând Drosophila masculin de o zi la hipoxie cronică (5% O2) și am analizat supraviețuirea lor. Hipoxia cronică a redus durata medie de viață de la 33,6 zile la 6,3 zile când muștele erau hrănite cu o dietă bogată. O analiză demografică a indicat faptul că hipoxia cronică a crescut panta traiectoriei mortalității și nu riscul de deces pe termen scurt. Restricția alimentară produsă prin diluarea alimentelor, prin restricția drojdiei sau prin restricția aminoacizilor a inversat parțial acțiunea dăunătoare a hipoxiei. A crescut durata de viață a muștelor hipoxice până la șapte zile, ceea ce a reprezentat aproximativ 25% din durata de viață a unei muște hipoxice. Supraviețuirea maximă a muștelor hipoxice a necesitat doar zaharoză alimentară și a fost insensibilă la medicamente precum rapamicina și resveratrolul, care sporesc longevitatea animalelor normoxice. Rezultatele descoperă astfel o nouă legătură între nutriția proteinelor, semnalizarea nutrienților și rezistența la stresul hipoxic.
Introducere
Restricția dietetică (DR) crește durata de viață într-o varietate de organisme, cum ar fi drojdiile, nematodele, muștele fructelor și mamiferele [1] - [3]. La om, reduce incidența bolilor cronice legate de vârstă, cum ar fi diabetul, cancerul și bolile cardiovasculare [4]. Genele candidate care contribuie la longevitatea organismelor model au fost identificate folosind abordări genetice [5] - [11]. Produsele lor sunt implicate în semnalizarea insulinei, detectarea nutrienților și remodelarea cromozomilor. Încă nu este sigur dacă DR crește supraviețuirea prin același mecanism în diferite organisme sau după intervenții dietetice diferite [12], [13] și dacă mecanismele care operează în organisme model sunt relevante pentru situațiile patologice umane. Hipoxia, de exemplu, este o cauză majoră a morții celulelor cardiace și neuronale în infarctul miocardic și accidentul vascular cerebral. Impune condiții care sunt unice și, probabil, nu se găsesc în alte situații patologice, cum ar fi cancerele sau bolile neurodegenerative. Identificarea mecanismelor care contribuie la moartea celulelor hipoxice este un obiectiv major pentru dezvoltarea de noi strategii care ar încetini îmbătrânirea creierului și a inimii umane.
Drosophila este bine potrivită pentru a analiza influența nutriției asupra toleranței hipoxice (i) spre deosebire de drojdie sau C. elegans, dar asemănător oamenilor, muștele sunt aerobi obligați, (ii) pot fi crescute cohorte mari de muște pentru a analiza parametrii demografici [14], (iii) Drosophila tolerează expuneri mai lungi la condiții hipoxice decât majoritatea mamiferelor [15], [16], (iv) există o conservare strânsă a căilor de semnalizare hipoxică între muște și mamifere. Hipoxia stabilizează un factor de transcripție al familiei de bază helix-loop-helix (HIF-1 la mamifere, Sima la Drosophila). Sub tensiune normală a oxigenului, degradarea HIF-1/Sima este controlată de HIF prolil hidroxilazele, o familie de dioxigenaze dependente de 2-oxo-glutarat care hidroxilează reziduurile cheie de prolină în domeniul de degradare dependent de oxigen al HIF-1/Sima. Proteina von Hippel Lindau recunoaște proteinele HIF-1 hidroxilate și le vizează pentru degradarea proteazomală. În condiții hipoxice, activitatea prolil hidroxilazelor a scăzut, HIF-1/Sima nu mai este hidroxilat. Scapă de degradarea proteazomală, migrează către nucleu și interacționează cu elementele sensibile la hipoxie din regiunile de reglare ale genelor țintă [17], [18].
Aici am expus Drosophila masculin la hipoxie cronică (5% O2) și am analizat supraviețuirea acestora. Rezultatele au indicat faptul că supraviețuirea în condiții cronice hipoxice a fost puternic dependentă de condițiile alimentare. Toleranța maximă hipoxică a necesitat doar o sursă de carbohidrați alimentari și a fost compromisă de proteinele dietetice.
Rezultate si discutii
Am folosit Drosophila masculin din trei motive (i) țesuturile lor sunt compuse din celule postmitotice la fel ca inimile și creierele de mamifere, (ii) supraviețuirea lor este independentă de investiția energetică în producția de ouă și (iii) comportamentul lor de hrănire pare a fi independent de calitatea mâncării [13].
Influența hipoxiei cronice asupra supraviețuirii
Am expus muștele vechi de o zi la hipoxie cronică (5% O2) în prezența unui mediu bogat în nutrienți care conține 10% zaharoză și 10% drojdie inactivată la căldură (prescurtată ca „10S10Y”). Muștele hipoxice au păstrat o activitate aparent normală, dar supraviețuirea lor a fost scurtată (Fig. 1A). Hipoxia a scăzut durata medie de viață cu> 80% de la 33,6 zile la 6,3 zile. De asemenea, a scăzut durata medie de viață (de la 34,5 zile la 5,5 zile) și durata maximă de viață (de la 44,5 zile la 8,5 zile). Durata de viață redusă poate rezulta dintr-o creștere mai rapidă a ratei mortalității în funcție de vârstă (o creștere a pantei traiectoriei mortalității), dintr-un risc crescut de deces la toate vârstele (o schimbare în traiectoria mortalității) sau o combinație a celor două . Pentru a distinge între aceste posibilități am efectuat analize demografice detaliate. Figura 1B arată că mortalitatea specifică vârstei a muștelor normoxice și hipoxice a urmat traiectorii aproape liniare, așa cum se aștepta din modelul Gompertz. Hipoxia a crescut de 5 ori panta traiectoriei mortalității. O interpretare obișnuită este că tratamentul a crescut acumularea de daune ireversibile cu vârsta [14].
Muștele hrănite cu un regim 10S10Y au fost expuse la oxigenul atmosferic (21% O2) sau la hipoxie (5% O2) după cum s-a indicat.
(A) Analiza supraviețuirii.
Hipoxia a scăzut durata medie de viață de la 33,6 ± 0,8 zile (n = 79) la 6,3 ± 0,1 zile (n = 282).
(B) Mortalitate specifică vârstei.
Hipoxia a crescut de cinci ori panta reprezentării, sugerând o îmbătrânire accelerată.
O altă modalitate de accelerare a îmbătrânirii este creșterea temperaturii [14]. Prin urmare, am verificat dacă reducerea temperaturii a inversat efectul hipoxiei. Scăderea temperaturii de la 25 ° C la 18 ° C a scăzut activitatea muștelor și a crescut supraviețuirea lor prin scăderea pantei traiectoriei mortalității (neprezentată). Scăderea temperaturii a crescut durata medie de viață a muștelor în aceeași măsură în condiții normoxice (2,2 ori de la 33,6 zile la 75,7 ± 3,1 zile, n = 89) și hipoxice (2,2 ori de la 6,3 zile la 14,1 ± 0,4 zile, n = 194). Astfel, hipoxia și temperaturile crescute au avut acțiuni independente și aditive asupra longevității Drosophila.