Az éhezés és a magas szénhidráttartalmú étrend hatása a Caenorhabditis elegans tanulási képességére

Naijing Guo

a A kínai Renmin Egyetemhez tartozó középiskola

Jiayu Wang

b Chaoyang kísérleti általános iskola, amely a Kínai Fővárosi Normál Egyetemmel áll kapcsolatban

XiangMing Wang

c Kínai Tudományos Akadémia Biofizikai Intézete, Kína

Absztrakt

Az éhezés és a magas szénhidráttartalmú étrend nagy hatással van egészségünkre, miközben a tanulási képességre gyakorolt hatása nem annyira egyértelmű. Itt a C. elegans-t használtuk mintaszervezetként annak vizsgálatához. 24 órán keresztül éheztettük a férgeket, vagy kikelésük óta glükózzal etettük, majd mechanoszenzoros stimulációs vizsgálattal mértük az L4 stádiumban a tanulási képességüket. Az eredmények azt mutatták, hogy az éhezés a tanulási képességet jelentősen csökkentette, míg 3 órás normál táplálás után fokozatosan helyreállítható. A glükózkezelés után a féreg hossza-szélesség aránya csökkent, és a tanulási képesség is jelentősen csökkent. Érdekes módon ez a hatás két generációval adható át, valószínűleg epigenetikus öröklés útján. Ezen hatások mechanizmusának megértése érdekében az age-1 és a mec-3 mutánsokat alkalmazták, amelyek normális vagy kedvezőtlen körülmények között eltérő módon befolyásolták a tanulási képességet. Ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy az éhezés és a magas szénhidráttartalmú diéta módosíthatja a C. elegans tanulási képességét, és ezeket különböző génhálózatok szabályozták.

1. Bemutatkozás

A fejlődő országokban sok ember szembesül az élelmiszerhiány és az éhezés problémájával, amely a testi funkciók megváltozásához vezet. Az éhezés anyagcsere-folyamatokra gyakorolt hatását és a kapcsolódó molekuláris mechanizmust jól tanulmányozták [1, 2], de a tanulási képességre gyakorolt hatása továbbra is megfoghatatlan. Mivel a tanulási folyamatnak nagy energiára van szüksége, javasoljuk, hogy az éhezés csökkent tanulási képességhez vezethessen, és a kalóriabevitel révén helyrehozható legyen.

Másrészt az elhízás, a szív- és érrendszeri betegségek, a magas vérnyomás és a II. Típusú cukorbetegség, amelyeket mind a magas szénhidráttartalmú étrend vált ki, komoly közéleti kérdéssé váltak [3]. Amellett, hogy ezeket a károsodásokat a perifériás szervekben és szövetekben okozza, meggyőző bizonyítékok is azt mutatják, hogy a magas szénhidráttartalmú étrend diszfunkciót okozhat a központi idegrendszerben [4, 5, 6]. Sőt, bebizonyosodott, hogy a magas szénhidráttartalmú étrend hatása epigenetikusan átvihető [7]. A magas szénhidráttartalmú étrend tanulási képességre gyakorolt hatását azonban ritkán tanulmányozzák. Feltételezzük, hogy a magas szénhidráttartalmú étrend elhízást és diszfunkciót okozna a neuronokban, ami csökkentené a tanulási képességet.

Ennek a két hipotézisnek a teszteléséhez a Caenorhabditis elegans (rövidítve C. elegans) modellrendszert használtuk annak tanulmányozásához. A C. elegans egy szabadon élő fonálféreg, amelynek hossza kb. 1 mm és gyors az életciklusa. Körülbelül 3,5 nap szükséges, amíg 20 ° C-on ivaréretté válik. Többségük öntermékenyítő hermafrodita, míg a hímek 0,2% -os gyakorisággal fordulnak elő. 1965-ben Sydney Brenner a C. elegans modelljét használta a molekuláris biológia és a fejlődésbiológia tanulmányozásához. Azóta széles körben használják az embrionális fejlődésre, a nemek meghatározására, az apoptózisra, a viselkedésre és a neurobiológiára [8].

2. Anyagok és módszerek

2.1. A C. elegans karbantartása

A C. elegans-t a korábban leírt módon [11] tenyésztettük, kevés módosítással. Röviden: a férgeket fonálféreg-tenyésztő táptalajon (NGM) növesztettük, E. coli OP50-vel etettük és 20 ° C-on tartottuk. A vad típusú törzs Bristol N2 törzs. Az alkalmazott mutáns törzsek a következők voltak: mec-3 (CB1338), age-1 (TJ1052), dpy-11 (TV51143). Valamennyi törzset a Caenorhabditis Genetikai Központ biztosítja.

2.2. A C. elegans éhezése és magas szénhidráttartalmú diétás kezelése

Az éhezés kezelésére szinkronizált férgeket tenyésztenek 20 ° C-on néhány napig. 24 órával az E. coli elfogyasztása után L4 férgeket szedünk, hogy megmérjük tanulási képességüket. A férgek nem lépnek dauer stádiumba.

A magas szénhidráttartalmú étrend kezeléséhez az OP50 és a 400 g/l glükózoldat folyékony tenyészetét összekeverjük, hogy a glükóz végső koncentrációja 200 g/l, 40 g/l, 4 g/l legyen. Ezután az oldatot jól összekeverjük, és NGM lemezekre oltjuk. A szinkronizált L1-et ezekre a lemezekre visszük át a tenyészetbe körülbelül 2-3 napig, amíg a férgek L4 stádiumba kerülnek. Ezután a tanulási képesség mérésére szolgálnak.

2.3. Mechanoszenzoros stimulációs vizsgálat

A vizsgálatot Kitamura és mtsai. [12] némi módosítással. Egy L4 hermafroditot felszedünk az E.coli OP50-vel csíkozott NGM lemezre, és egy szemöldök segítségével finoman megérintjük a fejét. Ha hátrafelé mozog, akkor számít az első ingernek. Normális esetben a féreg előrefelé haladna. Abban az időben, amikor előre halad, a következő ingert hajtották végre. Az ingert addig ismételjük, amíg a féreg nem mozog hátrafelé. A szükséges ingerek száma a tanulási képesség indexe. Minél kisebb a szám, annál jobb a tanulási képesség. Ha ezek a két kezeléscsoport közötti számok szignifikánsan különbséget mutatnak (P 0,05 azt jelenti, hogy nem szignifikáns. A több csoportot összehasonlító adatokat az ANOVA és Tukey többszörös összehasonlító tesztjei elemzik.

3. Eredmények

3.1. A normálisan táplált férgek tanulási képessége

A férgek tanulási képességének feltárásához különböző kedvezőtlen körülmények között először is meg kell mérnünk a tanulási képességet normál állapotban. Tehát mechanoszenzoros stimulációs vizsgálatot használtunk a normálisan táplált férgek nem asszociatív tanulási képességének mérésére. Az eredmény azt mutatta, hogy a férgek többsége 10 inger után abbahagyta a hátrafelé mozgást, és az átlagos hátralévő távolság fokozatosan csökkent (1. ábra). Független ismételt kísérletek nagyon hasonló adatokat mutattak, jelezve, hogy ez a vizsgálat elég robusztus volt ahhoz, hogy teszteljék a tanulási képességet éhezés vagy magas szénhidráttartalmú étrend esetén.

A C. elegans nem asszociatív tanulási képessége mechanoszenzoros stimulációs vizsgálattal mérve. A-F) a stimuláció alatt álló féreg sorozatképei. A méretarány 500μm. Az A-D kimutatta, hogy a féreg az inger után hátrafelé mozgott, és a megfordítási távolságot (fekete vonalak) is bemutatjuk az ábrán. E és F azt mutatta, hogy a féreg az inger utáni megfordulás helyett előre lépett, demonstrálva, hogy ez a féreg ingerhez szokott. G) Az abszcissza bemutatja a mechanoszenzoros stimuláció idejét. Az ordináta bemutatja azt az átlagos hosszúságot, amelyet a féreg ingerlés után hátrafelé mozgatott. Az értékek átlag ± SEM. n = 80. Négyszeres független kísérletek.

3.2. Az éhezés csökkenti a C. elegans tanulási képességét

Ezután ugyanazt a vizsgálatot használtuk az éhező férgek (kb. 1 napos éhezés) és az éhezés után 1, 2 és 3 órán át táplált férgek tanulási képességének mérésére. Az éhezés után 1 órán át, 2 órán át és 3 órán át etetett állatok ingerlésének ideje az éhezés után a visszafelé mozgás leállításához körülbelül 27, 21, 15 és 10 volt (2. A. ábra). Jelezte, hogy az éhezés csökkentette a tanulási képességet, és fokozatosan helyreállítható táplálékkal.

Az eredmény azt mutatta, hogy az 1 éves kor mutánsai jelentősen csökkentették a tanulási képességet a vad típushoz képest (P 2. B ábra), ami arra utal, hogy az éhezés csökkentheti a tanulási képességet egy olyan útvonalon keresztül, amely párhuzamos az inzulinszerű úttal. A normálisan táplált vad típusú és mec-3 mutáns tanulási képességében azonban nem volt szignifikáns különbség (P 2. ábra B).