Az agyban lokálisan előállított Leptin-analóg konzervált idegi áramkörön keresztül befolyásolja az elhízással kapcsolatos viselkedést Drosophila-ban

Jennifer Beshel

1 Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 11724, Egyesült Államok

Josh Dubnau

1 Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 11724, Egyesült Államok

Yi Zhong

1 Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 11724, Egyesült Államok

Társított adatok

Összegzés

A leptin, egy tipikusan zsírszármazékból származó „jóllakottsági hormon”, megalapozott szerepet játszik a súlyszabályozásban. Itt leírjuk a genetikailag kiváltott elhízás funkcionálisan konzervált modelljét Drosophilában, a légy Leptin analóg Unpaired 1 (upd1) manipulálásával. Váratlanul a sejttípusú specifikus leütés az agy frissítését, nem pedig a zsírszövetet tárja fel, az elhízással kapcsolatos tulajdonságokat közvetíti. A legyek agyi eredetű frissítésének megzavarása az emlősök elhízásának minden jellemzőjéhez vezet: fokozott vonzódás az ételjelekhez, fokozott táplálékfelvétel és megnövekedett súly. Ezeket a hatásokat a Drosophila Neuropeptide F-t, az orexigén emlős Neuropeptid Y homológot expresszáló neuronokon lévő hontalan receptorok közvetítik. Az in vivo 2-foton képalkotás felfedi az upd1-et és a kupolátlanul gátolja ezt a hedonikus jelet etetett állatokban. A központi áramkör mentén végzett manipulációk túlérzékenységet is okoznak az obesogén állapotokkal szemben, hangsúlyozva a biológiai hajlam és a környezet közötti kritikus kölcsönhatást a túlsúly és az elhízás prevalenciája között. Javasoljuk, hogy zsír- és agyeredetű frissítés/A Leptin különféle idegi áramkörökön keresztül szabályozhatja a súlyszabályozás különböző jellemzőit.

Grafikai absztrakt

lokálisan

Bevezetés

Az elhízás a komplex etiológia rendellenessége, amely valószínűleg az idegi és metabolikus eseményeket befolyásoló genetikai és környezeti tényezők kölcsönhatásából ered. Míg az emlősök ezen összetett viselkedéséhez hozzájáruló idegi áramkörök továbbra is intenzív kutatások tárgyát képezik (Sohn et al., 2013), az utóbbi években a Drosophila mint célszerű modell jelent meg az élelmiszer-bevitel és a testtömeg központi idegrendszeri ellenőrzésének tanulmányozására ( Al-Anzi és mtsai, 2010; Albin és mtsai, 2015; Dus és mtsai, 2015; Mann és mtsai, 2013; Min és mtsai, 2016; Miyamoto és mtsai, 2012; Schoofs és mtsai, 2014 ). A Drosophila Neuropeptide F (npf) szerepe az ételszagok értékelésének szabályozásában (Beshel és Zhong, 2013) és az ételbevitel előmozdításában (Hergarden et al., 2012; Wu et al., 2003) különösen érdekes az emlősök Neuropeptid Y-jével (NPY) szembeni homológiája miatt. (Brown és mtsai, 1999), az étellel kapcsolatos étvágygerjesztő viselkedés kiemelkedő szabályozója (Day és mtsai., 2005; Flood és Morley, 1991).

Emlősökben a hipotalamuszban az NPY-t expresszáló idegsejteket közvetlenül gátolja Leptin (Pinto és mtsai, 2004; Stephens és mtsai, 1995), egy zsírból származó anorexigén hormon és az energia homeosztázis fő meghatározója (Halaas és mtsai, 1995).; Lee és mtsai, 1996; Tartaglia és mtsai, 1995; Friedman, 2014). A leptinhiányos emlősök, mint az elhízott egyének (Pool, 2001), fokozott „kedvelést” mutatnak az ételek iránt (Domingos et al., 2014), nagyobb érzékenységet mutatnak az ételjelekre (Thanos et al., 2013), hyperphagia (Halaas et al., 1995), és a megnövekedett zsírraktárak miatt jelentősen megnövekedett testtömeg (Halaas et al., 1995). A legújabb munkák azt mutatják, hogy a Drosophila hontalan receptorai aktiválhatók az emberi Leptinnel, a Leptin kötődési affinitása a hajléktalanokhoz szorosan megközelíti a 2,37 nM és 1 nM humán Leptin receptorokét (Rajan és Perrimon, 2012; Tartaglia et al., 1995). Érdekes módon egy endogén domeless-ligand Unpaired 2 (upd2) leütése a legyek zsír testében (FB) kisebb testmérethez vezet, és nincs hatása az etetésre (Rajan és Perrimon, 2012). Ez a hatás ellentétes jele a Leptin-hiányos emlősöknél (Halaas et al., 1995).

Itt bemutatjuk, hogy a hám nélküli receptor másik endogén ligandumának, az Unpaired 1 (upd1) (Wright és mtsai, 2011) megszakadásával járó legyek olyan jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek összhangban vannak az emlősök elhízásával. Megmutattuk, hogy az upd1 az agy forrásából, nem pedig az FB-ból hat, hogy ellenőrizzék az ételjelek iránti vonzódást, az étel bevitelét és a súlygyarapodást. Kimutattuk azt is, hogy az agyalapú upd1 határtalan receptorokon keresztül hat, amelyekről kiderül, hogy az npf-pozitív neuronokon helyezkednek el. Ez az upd1: domeless jelátviteli út elnyomja az npf aktivitást, és ezáltal szabályozza az étellel kapcsolatos viselkedés megfelelő kifejezését. Az elhízással kapcsolatos viselkedést szabályozó genetikai és idegi kör, amelyet légyben írunk le, funkcionálisan konzerválva van a Leptin: Leptin Receptor: NPY áramkörrel emlősökben. Repülés közben az agyban az upd1 leptin analógként működik, hogy befolyásolja az akut viselkedést, amely végül súlygyarapodáshoz vezet.

Eredmények

Az agyból, nem zsírból származó leptin-szerű upd1 közvetíti az elhízással kapcsolatos viselkedést a Drosophila-ban

Amint azt korábban bemutattuk (Rajan és Perrimon, 2012), azt is megfigyelhetjük, hogy az upd2 FB-specifikus leütése súlycsökkenést eredményez, és nincs hatása az etetési viselkedésre. Ezenkívül nem tapasztaltunk változást az ételszag-jelek iránti vonzódásban (S1A – S1C. Ábra). Ez felvetette annak lehetőségét, hogy a hajléktalanok számára egy másik endogén ligandum hozzájárulhat az elhízást vagy a légy túlsúlyos fenotípusait támogató viselkedéshez. A légy FB antitestfestése azt mutatta, hogy a párosítatlan 1 (upd1) a zsírszövetben is jelen van (S1D ábra), azonban az RNS interferencia (RNAi) által közvetített, kifejezetten az FB-re célzott upd1 kopogtatása nem volt hatással sem az ételjel vonzerejére, sem a súlyára ( Ábra: S1E és S1F ábra).

Ugyanakkor az idegszövetben végzett upd1-festés kétoldalú upd1-pozitív sejtek csoportját tárta fel a légy agyában (1A. Ábra). Az upd1 immunfestés mennyiségi meghatározása szignifikánsan alacsonyabb frissítés felhalmozódási szintet mutatott a sejttest szintjén táplált állapotban (1B. És 1C. Ábra). Az ilyen csökkent fluoreszcencia összhangban áll a sejtek felszabadulásának megnövekedett szintjével, amikor legyeket etetnek (Geminard et al., 2009; Rajan és Perrimon, 2012). Annak igazolására, hogy a táplált legyek csökkenő fluoreszcenciája nem a csökkent upd1 expressziós szintek miatt következett be, qRT-PCR-rel mértük az upd1 génexpressziót az etetett és éhezett legyek teljes fejszövetében. Valójában az etetett legyek szignifikánsan megnövekedett upd1 expressziót mutattak az éhezett legyekhez képest (hajtásváltozás: 1,83 ± 0,2; ΔCt táplált és éhezett t = 3,54, p = 0,02).

Habár szignifikánsan különbözik a szülői kontrolltól, a megfigyelt súlygyarapodás szerény volt (1G. Ábra), ezért azt kerestük, hogy a környezeti feltételek változásai eltérően befolyásolhatják-e ezeket a legyeket. A magas zsírtartalmú étrend bevezetése kimutatta, hogy elősegíti a súlygyarapodást Drosophila-ban (Birse és mtsai., 2010), és azt találtuk, hogy az upd1-vel manipulált legyek fokozottan érzékenyek voltak erre az obesogén környezetre. Ezek a legyek láthatóan nagyobbak voltak (1I. Ábra), megnövekedett zsírraktárral (S2D. Ábra). Míg ebben a nagy zsírtartalmú rendszerben a súlygyarapodás nem korlátozódott a upd1 leütéses legyekre (1J ábra, lásd UAS-upd1 RNAi_a), a hatás háromszor nagyobb volt azoknál a legyeknél, amelyeknél az idegszövetben frissítés hiányzott (1K ábra). A magas cukortartalmú étrendnek való kitettség hasonló súlygyarapodási profilt eredményezett (S2E és S2F ábra).

Az elhízással kapcsolatos tulajdonságok kifejeződését, amelyet legyek hiányoztak a frissen1 pan-neuronálisan, normális szintre állítottuk fel, vagy az upd1 (UAS-upd1 cDNS-en keresztül) vagy az emberi Leptin (UAS-humán Leptin cDNS) és még az upd2 ( UAS-upd2 cDNS) az agyszövetben (1L – 1M. Ábra). Ezek az eredmények együttesen azt mutatják, hogy az agy alapú expresszió önmagában meghatározza az elhízással kapcsolatos tulajdonságok hatását. Ezenkívül ezek a megállapítások azt jelzik, hogy mindhárom ilyen Leptin-analóg képes az agyban hatni, valószínűleg a hontalan receptor ligandumaként (Rajan és Perrimon, 2012; Wright et al., 2011).

Az upd1 leütéséből adódó elhízási fenotípusok akutan kiválthatók vagy megmenthetők