A Drosophila melanogaster mint alternatív modellszervezet a nutrigenomikában

Nieves Baenas

1 Táplálkozási Orvostudományi Intézet, Lübecki Egyetem, Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck, Németország

mint

E. Wagner Anika

2 Táplálkozástudományi Intézet, Justus-Liebig-Egyetem, Wilhelmstrasse 20, 35392 Giessen, Németország

Társított adatok

Absztrakt

A nutrigenomika elmagyarázza a genom, a proteom, az epigenom, a metabolom és a mikrobiom kölcsönhatását egy szervezet táplálkozási környezetével. Ezért a szervezet egészsége, étrendje és a genom közötti határfelületen helyezkedik el.

Az étrend és/vagy specifikus étrendi vegyületek nemcsak a génexpressziós mintázatokra, hanem az epigenetikai mechanizmusokra, valamint a metabolitok termelésére és a mikrobiota baktériumösszetételére is képesek hatni. A Drosophila melanogaster jól alkalmazható modellszervezetet kínál ezeknek az interakcióknak a feloldásához a tápláléktani összefüggésekben, mivel számos előnyt ötvöz, többek között megfizethető karbantartást, rövid generációs időt, magas termékenységet, viszonylag rövid várható élettartamot, jól jellemzett genomot és több mutáns légyvonal rendelkezésre állása. Ezenkívül egy emlősszerű bélrendszert tartalmaz, tiszta mikrobiotával és a zsírszövetre hasonlító zsírtesttel, májegyenértékű oenocitákkal, és támogatja a légyet, mint kiváló modellorganizmust nemcsak a táplálkozási, hanem a táplálkozási kutatásokban is. A tápláléklégyben már meghatározták azokat a kísérleti megközelítéseket, amelyekre alapvetően szükség van a táplálkozási kutatásban, beleértve számos szekvenálási technológiát. Egy adott étrend és/vagy étrendi vegyületek kölcsönhatását légyben vizsgáló vizsgálatok azonban jelenleg nagyon korlátozottak.

Jelen áttekintés áttekintést nyújt a légy morfológiájáról, beleértve a bél mikrobiómáját és az antimikrobiális peptideket, mint az immunrendszer modulátorait. Ezenkívül összefoglalja a gyümölcslégy táplálkozási megközelítéseit, segítve a gazdaszervezet-genom kölcsönhatások tisztázását a táplálkozási környezettel a Drosophila melanogaster modell organizmusban.

Háttér

A nutrigenomika meghatározza a tápanyag-gén kölcsönhatásokat egy gazdaszervezetben, és jelenleg nemcsak a tápanyag-gén kölcsönhatásokat foglalja magában, hanem a tápanyag-epigenetikus, a tápanyag-proteomikus és a tápanyag-metabolomikus kölcsönhatásokat, valamint a gazda-diéta-mikrobiom kölcsönhatásokat is [1]. Ebben az értelemben a táplálkozási kutatások az étrend, az egészség és a genomika metszéspontján helyezkednek el [2, 3].

A Drosophila melanogaster egy alapvetően a genetikai kutatásban alkalmazott modellszervezet, amely ígéretes előnyökkel jár a preklinikai nutrigenomika tanulmányozásában. Evolúciós biológiája jelentősen hozzájárul az emberekben a génexpresszió és fejlődés megértéséhez, mivel genomja megőrzi a gének körülbelül 60% -át, amelyek kapcsolatban állnak a DNS-mutációkkal, amplifikációkkal vagy deléciókkal az emberi betegségek sokféle csoportjában [4, 5]. Genomja kb. 18 000 gén található négy homológ kromoszómapáron, míg közülük csak három tartja a genom fő részét. A legyek és az emlősfajok a nukleotid- és fehérjeszekvenciák körülbelül 40% -át osztják meg homológjaikban; egyes konzervált funkcionális területeken ez meghaladja a 90% -ot [6, 7]. A Drosophila melanogaster mutánsok előállításához kromoszóma deléciókat és mutációkat generáltak, genomjuk több mint 80% -át megcélozva [8].

Jól jellemzett genomja, valamint a mutáns és transzgén legyek jó rendelkezésre állása mellett egyéb előnyök, többek között a gyors életciklus (12 nap a tojás, a csőr, a báb és az imago egymásutánjára), rövid életidő (kb. 70–80 nap) ), kis méret (egyedek százainak kis palackokban történő tenyésztésének lehetősége) és a mutáns állatok viszonylag könnyű generációja más organizmusokhoz képest a Drosophila melanogaster kiváló modellszervezetté teszi a táplálékkutatásban.

Különösen az adipocitákkal rendelkező zsír test és a zsíranyagcserében és az inzulinjelzésben részt vevő konzervált anyagcsere útvonalak miatt a Drosophila melanogastert széles körben alkalmazták az elhízással összefüggő betegségek, köztük a szív- és érrendszeri diszfunkció vagy a rák vizsgálatára [9–11]. A magas zsírtartalmú és magas cukortartalmú étrend bevitele által kiváltott trigliceridszint és lipidtárolás változásai összefüggenek az inzulin/inzulinszerű növekedési faktor jelátvitel (IIS) és a rapamicin célpontjának (TOR) mindkét génjének genetikai variációival jelzőút [12, 13].

A gyümölcslégy emlősszerű anatómiája és egyenértékű funkciói miatt jó modellre hasonlít a különböző szövetek vagy szervek tanulmányozásához is. Jelen áttekintés információkat nyújt a gyümölcslégy morfológiájáról és anatómiájáról, különös tekintettel a gyomor-bélrendszerre és a bél mikrobiotájára, a nutrigenomikai vizsgálatok legfontosabb tényeire. Ezenkívül betekintést nyújt a táplálkozási módszerekben alkalmazott különféle módszerekbe és azok felhasználásába a Drosophila melanogaster-ben.

Drosophila melanogaster - morfológia

A Drosophila melanogaster különböző morfológiai tulajdonságokat mutat be a természetes szelekció termékeként. Ezek a különbségek általában az egyes fenotípusokra utaló génmutációkhoz kapcsolódnak [14]. A sörte, a szárnyak, a függelékek, a szemformák, valamint a színek és a testméret különbségeit jelző mutációs jelzéseket a FlyBase (www.flybase.org) gyűjtötte össze, pontos információkat szolgáltatva a kromoszómákban való elhelyezkedéséről. A környezeti tényezők, mint például a táplálkozás, a hőmérséklet vagy a zsúfoltság, a morfológiai tulajdonságokért, különösen a testméret-változásokért felelősek, és a kvantitatív tulajdonság lokuszok (QTL) leképezéséhez kapcsolódnak a harmadik kromoszómán, miközben nincsenek QTL-ek vagy QTL-ek ezekre a tényezőkre kisebb hatással voltak a többi fő kromoszómában [14]. A légyfejlődés ideje, más néven gyümölcslégy életciklusa, különböző környezeti feltételek között változik. Általában az új legyek kifejlődése körülbelül 10 napig tart 25 ° C-on, négy fejlődési szakaszban: az embrió, a lárvák (három különböző szakasz), a baba és az imago szakasz. A kifejlett legyek 2–4 nappal az eklózió után érik el ivarérettségüket.

Egy tipikus rovarmorfológia szerint a kifejlett gyümölcslégy test három részre oszlik: fej, mellkas és has. A fejben számos érzékszerv található, megjegyezve az összetett szemeket, amelyek primer pigmenteket tartalmaznak, amelyek a különböző mutánsokra jellemzőek, és a proboscis, amely az ízérzékelő szervet képviseli az étel detektálására, ízére és bevitelére, amely meghosszabbítható és visszahúzható, és pumpálja a ételt a bélbe. A mellkas három részre oszlik: egy-két lábfejű prothorax (elülső), egy láb- és pár szárnyú mesothorax (középső), egy láb- és párfogó-metathorax (hátulsó) szárnyak). A nőstények és a hímek morfológiai tulajdonságok alapján könnyen megkülönböztethetők, különösen a nőstények általában nagyobbak, és hegyes csúcsú hasuk van, míg a hímek a hátsó szegmensben lekerekített hassal rendelkeznek, epandriummal (férfi külső nemi szervek) [15].

A légy anatómiája magában foglalja az emlős organizmusokkal egyenértékű funkciójú szervrendszereket, beleértve az agyat, a perifériás idegrendszert, a szívet, a légcső rendszert (hasonlóan a tüdőhöz), a nyelőcsövet, a Malpighius tubulusokat (hasonlóan a vesékhez), a zsír testet oenocitákkal ( a zsírszövet és a máj funkcióinak kombinálása), a bél és az ivarmirigyek [16]. A légyagy több mint 100 000 neuronnal rendelkezik, és az emlősök központi idegrendszeréhez hasonló módon mutat be fontos funkciókat, beleértve a cirkadián ritmust, az alvást, a tanulást, a memóriát, az udvarlást, a táplálkozást, az agressziót, az ápolást és a repülés navigációját. Ezért ez a modellszervezet lehetőséget kínál a táplálkozással összefüggő magatartások vizsgálatára az anyagcsere-változások elemzésével neuroendokrin és neuromodulációs állapotokkal, valamint a mögöttes molekuláris mechanizmusokkal együtt [17]. Dokumentálták, hogy a legyek a központi idegrendszerükben található különféle étrendi vegyületekre vagy gyógyszerekre hasonló módon reagálnak, mint az emlősök rendszerében megfigyelték [6].

Steril vagy axén légy-törzsek (csíramentes körülmények között nevelkedve) előállíthatók vagy alacsony dózisú sztreptomicin alkalmazásával az étrenden, vagy pedig petesejt-dezorionálással [43]. A meghatározott mikrobiális közösséggel rendelkező legyek (gnotobiotikus legyek) megszerzéséhez a legyeket vagy megfelelő oltott steril étrendnek teszik ki, vagy az embriók érdekes mikrobiális fajokkal találkoznak [44]. Egy axenikus és gnotobiotikus legyek felhasználásával végzett kísérletben Dobson és mtsai. [45] összehasonlította a növekedéshez, az anyagcseréhez és a neurofiziológiai regulátorokhoz kapcsolódó specifikus és funkcionálisan rokon gének együttes expresszióját (például az IIS és a TOR útvonalának alkotóelemeit), megmutatva e gének felülszabályozását a mikrobiota jelenlétében, és következésképpen hatása a gazda transzkriptómra [45]. Egy nemrégiben megjelent publikáció kimutatta, hogy a mikrobiota eliminációja megváltoztatta az immunválaszhoz kapcsolódó gének, valamint az oxidatív stresszel és az általános méregtelenítéssel összefüggő gének expresszióját fiatal felnőtt Drosophila melanogaster fejében [46].

Nutrigenomikus megközelítések a Drosophila melanogaster-ben

Amint azt korábban említettük, a nutrigenomika nemcsak a gén-táp interakciókra vonatkozik, hanem tápanyag-epigenetikus, tápanyag-proteomikus, tápanyag-metabolomikus és tápanyag-mikrobiom kölcsönhatásokra is (1. ábra).