Serotonina activează hrănirea generală prin activarea a două căi neuronale separate în Caenorhabdita

Bo-mi Song

1 Departamentul de biologie moleculară, Universitatea din Texas Southwestern Medical Center, Dallas, Texas 75390-9148 și

Leon Avery

2 Departamentul de Fiziologie și Biofizică, Virginia Commonwealth University, Richmond, Virginia 23298-0551

Contribuțiile autorului: B.-m.S. cercetare proiectată; B.-m.S. cercetări efectuate; LA. a contribuit cu reactivi/instrumente analitice nepublicate; B.-m.S. și L.A. date analizate; B.-m.S. și L.A. a scris ziarul.

Abstract

Introducere

Epidemia crescândă de obezitate și tulburări de alimentație necesită studiul mecanismelor de reglare a aportului alimentar. Aportul de alimente este reglementat de diverse intrări de mediu și interne, cum ar fi factorii senzoriali, starea nutrițională, procesarea emoțională, luarea deciziilor și învățarea (Berthoud, 2004; Zheng și Berthoud, 2008). Studierea mutanților al căror aport alimentar este modificat în diferite condiții a avansat mult înțelegerea mecanismelor de reglare (Barsh și Schwartz, 2002).

Caenorhabditis elegans, viermele rotund consumator de bacterii, este un organism model atractiv pentru studierea reglării aportului alimentar. Manipularea genetică este ușoară, iar anatomia este simplă (Schafer, 2005). Comportamentele de hrănire la C. elegans au fost bine caracterizate și sunt supuse analizei cantitative. Mai mult, moleculele care controlează consumul de alimente sunt, de asemenea, cel puțin parțial conservate în C. elegans (Douglas și colab., 2005; Tu și colab., 2008; Kaun și Sokolowski, 2009).

Faringele, un tub neuromuscular, este organul de hrănire din C. elegans. Faringele este format din opt mușchi și 20 de neuroni de 14 tipuri. Cei cinci mușchi faringieni mari sunt conectați prin joncțiuni gap și constituie cele trei părți funcționale ale faringelui, corpusului, istmului și bulbului terminal, care sunt dispuse de la anterior la posterior (vezi Fig. 5) (Albertson și Thomson, 1976) . Corpusul preia alimentele din mediu și acumulează alimentele în istmul anterior prin contracția și relaxarea ulterioară. Hrana acumulată este transportată la becul terminal printr-o mișcare peristaltică a istmului posterior. Râșnița din becul terminal zdrobește alimentele pentru absorbția nutrienților în intestin. Mușchii faringelui prezintă două mișcări de hrănire, pompare și peristaltism de istm (IP). Pomparea este o contracție sincronizată și relaxare ulterioară a corpusului, a istmului anterior și a bulbului terminal (vezi Fig. 5 A). Peristaltismul istmului este o mișcare peristaltică a istmului posterior (vezi Fig. 5 B).

Model de reglare a hranei cu serotonina. A, Ca răspuns la serotonină, SER-7 din celula MC își activează autonom calea de semnalizare Gsα în aval, care ulterior stimulează pomparea faringiană prin activarea transmisiei colinergice de la MC la mușchii faringieni. , Ca răspuns la serotonină, SER-7 în M4 (și eventual în M2) își activează căile G12α în aval într-o manieră autonomă celulară, care ulterior activează M4. Stimulul de la M4 activ, alături de eliberarea veziculelor dense cu miez controlat de o cale neidentificată, activează peristaltismul istmului. Calea de semnalizare Gsα și transmisia colinergică în aval contribuie, de asemenea, la activarea peristaltismului istmului, dar locurile lor de acțiune nu au fost caracterizate. Având în vedere că expresia SER-7 în M4 rata de peristaltism a istmului complet restaurată în mutantul ser-7 nul, este plauzibil ca eliberarea veziculelor dense de miez din celulele neidentificate să fie activă în mod constitutiv, mai degrabă decât declanșată de serotonină. C, Stimulii de la un neuron activ M4 și de la partea anterioară a faringelui, excitați prin pompare, sunt necesari pentru a activa peristaltismul istmului. În absența oricărui stimul, peristaltismul istmului nu apare.

Ca și alte animale, C. elegans activează aportul de alimente prin activarea mișcărilor de hrănire ca răspuns la hrană (bacterii) (Croll, 1978). Dintre cele 14 tipuri de neuroni faringieni, doar MC și M4 sunt esențiale pentru pomparea rapidă normală și, respectiv, pentru peristaltismul istmului (Avery și Horvitz, 1987, 1989). Cu toate acestea, mecanismele prin care neuronii faringieni activează hrănirea ca răspuns la bacterii sunt necunoscute. Aici, am încercat să înțelegem mecanismele prin studierea procesului prin care serotonina activează hrănirea, din următoarele motive: În primul rând, serotonina este un semnal alimentar supus care controlează hrănirea în C. elegans. Serotonina imită efectele alimentelor în controlul comportamentelor multiple, inclusiv activarea pompării faringiene (PP) (Horvitz și colab., 1982). Serotonina crește pomparea faringiană ca răspuns la bacterii (Sze și colab., 2000). În al doilea rând, serotonina activează pomparea printr-un receptor SER-7 de tip 5-HT de tip 7, care este exprimat în mai mulți neuroni faringieni, inclusiv MC și M4 (Hobson și colab., 2006). De fapt, pentru a activa pomparea, serotonina necesită transmiterea colinergică de la MC la mușchii faringieni (Raizen și colab., 1995). Mai mult, expresia SER-7 în M4 crește posibilitatea ca serotonina să activeze și peristaltismul istmului.

Materiale și metode

Metode generale și tulpini

Cu excepția cazului în care se specifică altfel, C. elegans a fost cultivat la 19 ° C așa cum este descris de Brenner (1974). Toți viermii folosiți erau hermafroditi. Numai în textul principal este afișat numele genei. Au fost utilizate următoarele alele mutante.

Mutații nule.

Mutațiile nule au fost după cum urmează: mod-1 (ok103) V, ser-4 (ok512) I, ser-1 (ok512) III, ser-7 (tm1325) X, eat-2 (ad465) II, gsa-1 pk75 ) I, acy-1 (pk1279) III, gpa-12 (pk322) X, dgk-1 (sy428) X, pkc-1 (nj3) V, unc-13 (s69), unc-31 (e928), tph -1 (mg280).

Mutații hipomorfe.

Mutațiile hipomorfe au fost după cum urmează: kin-2 (ce179) X, cha-1 (p1152) IV.

Mutații de câștig de funcție.

Mutațiile câștigului funcției au fost următoarele: gsa-1 (ce81gf) I, acy-1 (ce2gf) III, HS: gsa-1 (Q227L), punc-17: gpa-12 (Q205L), punc- 17: rho-1 (G14V), punc-17: pkc-1B (A160E).