Percepția gustativă și metabolică a stresului nutrienților în Drosophila PNAS

Găsiți acest autor pe Google Scholar
Găsiți acest autor pe PubMed
Căutați acest autor pe acest site
Pentru corespondență: [email protected]

Editat de Michael Rosbash, Institutul Medical Howard Hughes, Universitatea Brandeis, Waltham, MA și aprobat pe 21 ianuarie 2015 (primit pentru examinare 14 februarie 2014)

Semnificaţie

Înfometarea induce o serie de răspunsuri costisitoare comportamentale și metabolice pentru a maximiza posibilitatea de a găsi o nouă sursă de nutrienți. Prin urmare, este avantajos pentru un organism să treacă din starea de foame atunci când se întâlnește mâncare. De unde știe un animal când se găsește o sursă de hrană și este puțin probabil să se înfometeze? Această nouă lucrare abordează această întrebare fundamentală, care este esențială pentru a ne lărgi înțelegerea modului în care organismele interpretează informațiile din mediul lor pentru a promova schimbări în comportamente complexe și fiziologie. Descriem un mecanism interesant care combină informații atât din percepția senzorială, cât și din cea metabolică, în funcție de densitatea nutrienților din sursa de hrană.

Abstract

Pierderea somnului este un răspuns adaptativ la lipsa de nutrienți care modifică comportamentul pentru a maximiza șansele de a se hrăni înainte de moartea iminentă. Organismele trebuie să întrețină sisteme de detectare a calității sursei de hrană pentru a relua nivelurile sănătoase de somn atunci când stresul este atenuat. Am stabilit că percepția gustativă a dulceaței este atât necesară, cât și suficientă pentru a suprima pierderea somnului indusă de foamete atunci când animalele întâlnesc surse de hrană sărace în nutrienți. În plus, descoperim că blocarea neuronilor dopaminergici specifici fenocopieză absența stimulării gustative, sugerând un rol specific pentru acești neuroni în transducerea informațiilor gustative către centrele de somn din creier. În cele din urmă, arătăm că percepția gustativă este necesară pentru supraviețuire, în special într-un mediu cu nutrienți scăzuti. În general, aceste rezultate demonstrează un rol important pentru percepția gustativă atunci când disponibilitatea alimentelor din mediu se apropie de zero și ilustrează interacțiunea dintre percepția senzorială și metabolică a disponibilității nutrienților în reglarea stării comportamentale.

Înfometarea este o condiție de stres extrem de nutrienți care duce la moarte rapidă. La detectarea absenței surselor de nutrienți din mediul înconjurător, organismele folosesc strategii multiple pentru a ajusta alocarea resurselor pentru a maximiza șansele de a găsi o sursă de hrană, inclusiv inducerea unor căutări mai lungi de hrănire (1) și limitarea comportamentului de somn (2, 3). Pierderea somnului la Drosophila melanogaster este un răspuns caracteristic la privarea de nutrienți care apare la aproximativ 12 ore după îndepărtarea unei surse de hrană; la bărbați, este urmată de moarte în alte 12 ore (2). Se crede că pierderea somnului reprezintă un cost pentru organism (4 ⇓ –6), iar mecanismele de evaluare a mediului și de terminare a acestui răspuns comportamental atunci când sunt disponibile alimente ar conferi probabil un beneficiu adaptativ. O înțelegere mai profundă a modului în care organismele percepute și cum răspund la stresul din mediu ar putea oferi beneficii substanțiale oamenilor care încearcă să mențină sănătatea maximă în fața penuriei de alimente și a condițiilor de mediu instabile. Strategiile utilizate de organisme pentru a evalua suficiența unei surse de hrană și pentru a iniția sau a suprima pierderea somnului în condiții nutritive foarte scăzute rămân în mare parte necunoscute și reprezintă o cale către înțelegerea răspunsului global la stres.

Rezultate

Comportamentul de somn este reglementat de disponibilitatea nutrienților. (A) Exemplu de urmărire video a poziției mustei (masculin Canton S) în timp pe un aliment complet (10% zahăr: drojdie, SY10) sau după înfometare de 20 de ore. Axa y reprezintă poziția de zbor într-un tub care se sprijină orizontal cu o cameră video deasupra. (B) Comportamentul de somn (pubele de 30 de minute) în ziua 1 pe alimentele SY10 urmate de ziua 2 pe mediul de testare indicat. (C) Supraviețuirea cu mediu de foame sau cantitatea indicată de d-glucoză. Toate punctele cu bare de eroare reprezintă media ± SEM de la 30 la 100 de zboruri.

O interpretare alternativă a datelor prezentate până în prezent este că pierderea somnului nu este reglementată în sine, ci apare în timp ce muștele se apropie de moarte - în orice moment dat, o proporție mai mare de muște în medii cu nutrienți scăzuți va fi aproape de moarte decât mai bine - hrăniți frați. Datele de la muște care poartă mutația rGr64 infirmă în mod eficient această ipoteză. În prima zi de hrănire cu 50 mM d-glucoză, muștele 64Gr64 prezintă pierderi de somn aproape identice cu nivelurile observate folosind muște înfometate (fie ΔGr64, fie martor; Fig. 2B). Cu toate acestea, fracțiunea fiecărei populații despre care se preconizează că este aproape de moarte este foarte diferită; 100% din populația înfometată va muri în următoarele 24 de ore, în timp ce mai puțin de 5% din mutanții hrăniți cu 50 mM vor face acest lucru (vezi și Fig. 5). Mai mult, dacă pierderea somnului a fost puternic cuplată cu moartea, ne-am aștepta să observăm debutul acesteia mult mai târziu la animalele mutante 64Gr64 pe 50 mM d-glucoză, comparativ cu martorii înfometați, ceea ce nu se întâmplă (Fig. 2B). Prin urmare, pierderea susținută a somnului la muștele mutante 64G64 este în concordanță cu un model în care animalele reglează somnul pe baza percepției asupra hranei.

Profilul de răspuns la somn anormal observat la mutanții 64G64 poate fi recapitulat la animalele WT (Canton S) folosind surse de nutrienți alternativi care oferă nutriție fără a stimula sensilla gustativă (sorbitol și manoză) (11 ⇓ –13, 19). Am constatat că furnizarea nutriției cu carbohidrați fără dulceață în mediul de hrănire a dus la un profil de răspuns care a fenocopiat în mare măsură răspunsul de somn dependent de concentrație al mutantului gustativ, cu pierderea somnului „înfometată” la concentrații scăzute de nutrienți din mediu față de grupurile martor expuse la d-glucoză (Fig. 2F și Tabelul S1). Acest defect a fost complet salvat prin adăugarea unui îndulcitor nonnutritiv (arabinoză sau l-glucoză) (11 ⇓ –13) la mediul de hrănire în combinație cu manoză sau sorbitol (Fig. 2F, Fig. S1C și Tabelul S1). La fel ca înainte, aceste rezultate nu au fost determinate de diferențele de absorbție a alimentelor; am confirmat prezența colorantului albastru în abdomenul muștelor expuse la toate concentrațiile de manoză și sorbitol (Fig. S1D). Aceste rezultate susțin în continuare noțiunea că este necesară percepția gustativă apetisantă pentru a promova un comportament normal de somn, în special atunci când disponibilitatea nutrienților din mediu este scăzută.