Az étrend korlátozása javítja az idősödő szülők alkalmasságát, de csökkenti utódaik erőnlétét a nematódákban

Brian S Mautz, PhD, Martin I Lind, PhD, Alekszej A Maklakov, PhD, étrendi korlátozás javítja az idősödő szülők alkalmasságát, de csökkenti utódaik alkalmasságát a fonálférgekben, A gerontológiai folyóiratok: A sorozat, 75. évfolyam, 5. szám, 2020. május, 843–848. Oldal, https://doi.org/10.1093/gerona/glz276

Absztrakt

Az étrendi korlátozás (DR) egy jól megalapozott beavatkozás a taxonok életének meghosszabbítására. A legújabb tanulmányok azt sugallják, hogy a DR által vezérelt élettartam meghosszabbítása költségmentes lehet, megkérdőjelezve az öregedés evolúciós elméletének központi bérlőjét. Ennek ellenére a szülői élettartam növelése csökkentheti az utódok erőnlétét. Az ilyen generációk közötti kompromisszumokat gyakran figyelmen kívül hagyják, de ezek a hosszú élettartam „hiányzó költségeit” jelenthetik. Itt a Caenorhabditis remanei fonálférget használjuk a DR hatásainak tesztelésére a nők és utódaik alkalmasságára gyakorolt koplalással. Azoktól a nőktől, akiket 6 napig nélkülöztek élelemtől, valóban megnőtt a termékenységük, a túlélésük és a stressz-ellenállásuk az ismételt élelmiszer-expozíció után, összehasonlítva társaikkal, akik állandó élelmiszer-hozzáféréssel rendelkeznek. A DR anyák utódai azonban csökkentették a korai és az életkori termékenységet, lassabb növekedési ütemet és kisebb testméretet a nemi érés során. Ezek az eredmények alátámasztják a szómába és ivarsejtekbe történő befektetés közvetlen kompromisszumát, és megkérdőjelezik azt a hipotézist, hogy a fokozott szomatikus fenntartás és a károsodott szaporodás elválasztható.

Az étrendi korlátozás (DR), amelyet alultápláltság nélküli tápanyagbevitel csökkenésként határoznak meg, köztudottan növeli az élettartamot az életfán, az egysejtű organizmusoktól a férgeken át a rágcsálókon át a főemlősökig (1–4). Sőt, a DR gyakran társul a megnövekedett stresszállósággal (5), az öregedés csökkenésével (6), sőt a késői életkorban is javuló reprodukcióval (7). Annak ellenére, hogy a DR által vezérelt élettartam meghosszabbodik, és a téma iránti jelentős multidiszciplináris érdeklődés mutatkozik, ennek a hatásnak az evolúciós alapjait továbbra sem lehet tudni. A vezető evolúciós hipotézis fenntartja, hogy a DR egy fejlett erőforrás-allokációs stratégia („erőforrás-elosztási hipotézis”), amelynek célja a túlélés növelése az átmeneti éhínség idején (8). Ez a hipotézis azt állítja, hogy az organizmusok szándékosan osztják szét a szűkös erőforrásokat a szaporodástól a szomatikus fenntartásig. Valóban, a DR általában csökkent termékenységet eredményez, és erről a hatásról olyan gyakran számoltak be, hogy a csökkent reprodukció néha szerepel a DR formális meghatározásában (9).

Az erőforrás-elosztási hipotézist az elmúlt években megkérdőjelezték empirikus tanulmányok, amelyek azt mutatták, hogy az élettartam meghosszabbítása és a csökkent szaporodás közötti kapcsolat DR alatt nem kötelező és leválasztható. Grandison és munkatársai kimutatták, hogy az étrendi aminosav, a metionin hozzáadása helyreállítja a Drosophila melanogaster gyümölcslegyek DR alatti normális szintjét anélkül, hogy befolyásolná hosszabb élettartamukat. Ezenkívül a DR meghosszabbítja az élettartamot steril vagy nem szaporodó állatokban (10–13). Kísérleti evolúciós vizsgálatok arra utalnak, hogy a hosszú élettartam és a szaporodás nem szükségszerűen alakul együtt DR alatt (14, 15). Ezek a korábbi eredmények arra utalnak, hogy a DR-ben szenvedő állatok nem élhetnek tovább az erőforrásoknak a szaporodástól a túlélésig történő újraelosztása miatt, és néhányuk megkérdőjelezi, hogy vannak-e az életciklus-szaporodási kompromisszumok „hiányzó költségei”. A termékenységre és a hosszú élettartamra gyakorolt DR-hatást talán a fenotípusos plaszticitás esetének tekinthetjük a legjobban, amely lehetővé teszi az organizmusok számára, hogy maximalizálják alkalmasságukat különböző környezetekben (16). Ezt a nézetet támasztja alá az a tény is, hogy a DR-válasz alapjául szolgáló genetikai útvonalak sokféle tulajdonságot érintenek, beleértve a növekedést, az immunválaszt és az anyagcserét (16).

A DR „hiányzó költségeinek” teszteléséhez az étrendet úgy manipuláltuk, hogy vagy hat egymást követő napon megfosztottuk a nőstől a bakteriális táplálékforrást, vagy az élelmiszerhez való állandó hozzáféréstől. A kezelést követően vizsgáltuk az életkor-specifikus reprodukciót, a túlélést és a hősokk-rezisztenciát anyáknál és nőstény utódaiknál, hogy megvizsgáljuk az anyai TF intergenerációs hatásait. A korábbi kutatások és az élettörténeti elméletből származó előrejelzések alapján feltételeztük, hogy a korai felnőttkorban a TF pozitívan befolyásolja az idősödő anyák fitneszhez kapcsolódó tulajdonságait, de negatív generációk közötti hatások csökkentik lányaik fittségét.

Módszer

Vad típusú Caenorhabditis remanei SP8 törzsférgeket használtunk, amelyeket 50 generációig tartottak fenn 20 ° C-os és 60% -os páratartalom mellett, majd később kísérletekben -80 ° C-os fagyasztóban tárolták (SP8-50 néven). A férgeket megolvasztottuk, és további 5 generáción át 20 ° C-on tartottuk, standard laboratóriumi körülmények között, NG-agar lemezeken, amelyek kanamicint és sztreptomicint tartalmaztak, és táplálékként E. coli OP50-1 (pUC4K) baktériumokkal voltak beoltva. A lemezeket a Panasonic MLR-352H Környezeti Kamrában, normál körülmények között tartottuk. A férgeket kétszer, 4 és 8 nappal a felolvasztás után fehérítettük, hogy elpusztítsuk a nem kívánt mikrobákat, és férgeket állítsunk elő, amelyek kísérleti célokra körülbelül egyszerre érlelődnek.

Két nappal a második fehérítés után az L4-nőstény lárvákat 10 fős csoportokba helyeztük standard NGM agarlemezeken étellel, és egy éjszakán át hagytuk teljes nemi érést. Másnap kora reggel a felnőtt szűz nőstényeket két kezelés között osztották fel: az ad libitum táplálékhoz való hozzáférés (AL) vagy az élelmiszerhez való hozzáférés nélkül (ideiglenes koplalás, TF). A női férgeket 6 napig tartották fenn a megfelelő diétás kezelések során. Körülbelül 48 és 24 óránként a férgeket friss tányérokra helyeztük, mielőtt vizsgálatokba helyeztük őket. Vizsgálatok sorozatát végeztük, hogy megvizsgáljuk a diétás kezelés hatását a kezelő nők és utódaik fitnesz-összetevőinek tömbjére. A kísérleti terv diagramját lásd az 1. kiegészítő anyagban.

1. forduló: A nők kezelési ideje és szaporodása

Minden egyes élelmiszerkezelésből 50 nőstényt külön-külön, standard táplálékkal beoltott standard NGM lemezekre (antibiotikumokkal) helyeztünk. Minden nőstényt két SP8-50 törzsállományból származó hímmel helyeztünk el. A nőstények számára biztosított férfiak azonos korúak voltak (a szexuális érettség után 1-3 nappal), a korábbi hímek eltávolítását követően pedig minden harmadik napon két új hímet kaptak. A szaporodás és az élettartam értékeléséhez a nőstényeket és a hímeket 24 óránként új lemezre helyezték. Az előző 24 órás tojási periódusból származó, lemezeket tartalmazó tojásokat további körülmények között standard körülmények között tartottuk

30 óra, hogy az utódok kikeljenek. Ezen időszak után a lárvákat egy környezeti kamrában, 39 ° C-on 2 órán át eutanizálták. Ezután a lemezeket azonnal hűtőszekrénybe tettük 4 ° C-on, amíg a lárvaszám meg nem történt. A lárvaszámlálást az eutanizálást követően 24 órán belül elvégeztük. 13 nap elteltével a szaporodás megszűnt, és a nőstényeket minden harmadik napon új lemezekre vitték, de még mindig naponta ellenőrizték az élettartamukat. A nőstényeket a fentieknek megfelelően haláláig tartották. Minden nő esetében rögzítettük a halál dátumát. Az ad libitum kezelés egyik nője kiszáradásban halt meg, miután megmászta a petri-csésze műanyag oldalát, és kizárták az adatokból.

Hőfeszültség-ellenállás

A hőfeszültség-ellenállás felmérése érdekében minden kezelésből 6 nőstényt (összesen 12 lemezt) egy 37,5 ° C-os környezeti kamrába helyeztünk. A kezdeti expozíció után 2 órával és óránként legfeljebb 7 órával a nőstényeket figyelték a leütési válaszra. A nőstényeket minden ponton pontozták, és a három kategória egyikébe sorolták Herndont és munkatársait (26) követve: (i) szabadon mozgó vagy normális mozgás, miután a gólszerző finoman megmozgatta őket; (ii) rendellenes, nem szinuszos alakú mozgás vagy nem szabad mozgás (azaz csak a test elülső része mozog), miután a gólszerelő finoman megütötte; és (iii) még akkor sem mozog, ha a pontszerző stimulálta őket, hanem ha a szájszivattyú mozog vagy teljesen nem reagál. A 2. és 3. kategóriába eső nőstényeket később elemzési célokra egyesítették. A 7 órás hősokk-periódus után a lemezeket 20 ° C-on tároltuk, és a nőstényeket ugyanazon kategóriák felhasználásával újból felmértük a helyreállításhoz

21 órával az utolsó hetedik pontozás után.

Hatás az utódok szaporodására és élettartamára

Mindkét nőstényből 1 L4 stádiumú nőstény lárvát gyűjtöttünk az első 24 órás tojási periódusból. A szaporodás és az élettartam vizsgálata ugyanazt az eljárást követte, mint a fenti anyák, de a nőstény utódokat a gyűjtés után azonnal reprodukciós vizsgálatokba helyezték, hogy a reprodukció megkezdődjön, amint elérik a nemi érettséget. Minden nőstény utód esetében rögzítettük a lárvák kibocsátásának napi mértékét és a halál dátumát. A logisztikai korlátok miatt és mivel a hőstressz-vizsgálatok véglegesek, egy további kísérleti körben különböző nőkből származó utódok felhasználásával kellett mérnünk a fejlődési időt, a testméretet és a hőstresszet.

2. fordulójáig

A kísérletek második fordulóját további utódjellemzők gyűjtésére irányítottuk. Az első fordulóhoz hasonlóan a 10 nőstény csoportokat 6 napos diétás kezelésnek vetették alá (ad libitum vagy ideiglenes koplalás). Az étrendnek való kitettséget követően minden étrenden belül minden nőstényt ugyanabba a 10 csoportba helyeztünk a magozott standard NGM lemezeken, amelyeken tíz 2 napos (posztexuális érettségű) felnőtt hím volt, így a nemek aránya 1: 1 volt. A nőstényeket ezen a lemezeken 2 órán át tartottuk, hogy lehetővé váljon az etetés, párzás és a tojásrakás megkezdése. Az ebben az időszakban rakott petéket eldobták. Ezután a nőstényeket és hímeket új magvú lemezre helyezték, és 1 órán át hagyták tojni. Ezt az eljárást másodszor hajtották végre egy új üres, magozott lemezen. A két külön, egyórás periódus petéit használtuk az utódok fejlődési idejének és érettségi testméretének becsléséhez (1. tábla), valamint a hőstressz-ellenállás értékeléséhez (2. tábla). A kezelt nőstényeket és hímeket a két tojási időszak után eltávolítottuk és eldobtuk.

Fejlesztési idő és méret lejáratkor

Hőfeszültség-ellenállás

Szűz nőstényeket gyűjtöttünk a második lemezről a harmadik napon az utólagos fektetés után (a fentiek szerint). Az egyes kezelések során a három tojólemez mindegyikéből két nőstény tányért izoláltunk (összesen 12 lemezt). A 4. napon a szexuális érettség után a nőstényeket új lemezekre helyeztük, és azonnal hőkezelésre helyeztük. Ugyanazt a protokollt követtük, amelyet az 1. kísérletben a szülői generációnál alkalmaztunk az utódok reakciójának felmérésére.

Statisztikai analízis

Az adatokat R 3.4.0 statisztikai szoftver segítségével elemeztük (28). A korspecifikus és az egész életen át tartó reproduktív kimenetet többszintű vegyes modell segítségével elemeztük az lme4 csomagban (29), Poisson-hibaeloszlás, log-link funkcióval. Mind a kor, mind a 2. életkor bekerült a modellbe ennek a tényezőnek a lineáris és kvadratikus hatásainak felmérésére (lásd a Kiegészítő anyagot). Az egyedi (az ismételt mérések figyelembevétele érdekében) és az egyéni rekordértékeket (az esetleges túlterjedés figyelembevétele érdekében) (30) véletlenszerű hatásként szerepeltették az életkor-specifikus elemzés során; csak a vonalat használták véletlenszerű hatásként a reprodukciós elemzések során. A hőfeszültség-ellenállást többszintű modell alkalmazásával, de binomiális hibaeloszlás és logit link függvény segítségével is elemeztük. Bevettük a „lemez” véletlenszerű hatását, hogy figyelembe vegyük a nőstényekkel kezelt lemezek variációját. A fejlesztési időt és a testméretet általános lineáris modell alkalmazásával elemeztük. Az élettartamot a túlélési csomagban szereplő Cox arányos veszélyek modell segítségével elemezték (31). T-próbát alkalmaztunk a kor közötti különbség tesztelésére a legutóbbi reprodukció során a kezelések között. A statisztikai jelentést lásd a 2. kiegészítő anyagban.

Eredmények

Az ideiglenes böjt növeli a női fitnesz alkatrészeket

Az ideiglenes éhomi (TF) kezelés alatt álló nőstények szignifikánsan nagyobb számú utódot hoztak létre, miután visszatértek az élelmiszerhez, és lehetővé tették a párzást (átlag ± se; 463,45 ± 20,70, N = 50) ahhoz a nőstényhez képest, akik teljes hozzáférést kaptak az élelemhez (330. 76 ± 22,73; Wald Z = 19,33, p -5; TF 14,71 ± 0,34 d; AL 12,50 ± 0,34 d). A napi szaporodási teljesítményben nem volt statisztikai különbség a diétás kezelések között (Z = 0.650, p> .52, 1A. Ábra), bár a TF nőstények következetesen magasabb átlagos utódszámot produkáltak naponta, mint az AL nőstények, amelyek az egész életen át tartó reprodukció statisztikai különbségeit vették figyelembe ( lásd fent). A termékenységgel összhangban az élettartam és a hőterheléssel szembeni ellenállás különbözött a kezelések között. A baktériumoktól megfosztott nők élettartama szignifikánsan hosszabb volt (medián [95% CI], TF: 17 [15, 22] nap; Coxph-modell, Wald's Z = 2,497, p 2A ábra). Hasonlóképpen, a baktériumoktól megfosztott nőstények (N = 60) hőállóságnak jobban ellenálltak az AL nőstényekhez képest (N = 59) (Wald's Z = 3,939, p 2C ábra).

(A) A diétás kezelés hatása a C. remanei-re (SP8 törzs) a napi reproduktív teljesítményre 6 napos ideiglenes koplalás (TF vörös színnel; N = 50) vagy ad libitum (AL kék színnel; N = 49) után étel. Az adatokat kevert modellek segítségével elemeztük az lme4 csomagban R-ben, Poisson-hibaeloszlással és log-link függvénnyel, egyedileg véletlenszerű hatásként, az ismételt mérések figyelembe vétele érdekében. A diétás kezelések közötti napi szaporodás nem szignifikáns, de különbség van az egész életen át tartó reproduktív teljesítményben, amikor a TF nőstény több életre szóló lárvát produkál, mint az AL nőstények. (B) Az anyai étrend kezelésének hatása az utódok reprodukciójára (TF vörös N = 50; AL kék N = 48) ivarérettségtől kezdve. Az adatokat az (A) pont szerint elemeztük. Az anyai étrend kezelése hatással van az utódok szaporodására, olyan TF anyákéval, amelyek csökkent lárvakibocsátást mutatnak (2. és 4. nap), és csökkent az összes lárvák élettartama az AL-anyák utódaihoz viszonyítva. Az ábra mutatja az átlagos lárvaszámot ± se.

A TF és AL nőstények túlélési különbségei (A) és az anyai étrend kezelésének hatása az utódok túlélésére (B) (mintaméretek az 1A. És B. Ábra szerint). Az adatokat Cox arányos veszélyességi modellekkel elemeztük. A TF nőstények lényegesen tovább éltek, mint az AL nőstények. Nem volt különbség az utódok túlélésében. A TF és AL nőstények hőfeszültség-ellenállása (C) (TF N = 60, AL N = 59) és az anyai étrend kezelésének hatása utódaik hőstressz-ellenállására (D) (TF N = 58, AL N = 59) . Az adatokat általánosított lineáris vegyes modellekkel elemeztük. A TF nőstények fokozott hőstressz-ellenállást mutattak az AL nőkhöz képest. Nem volt különbség az utódok hőstressz-reakciójában.

Az ideiglenes böjt negatív vagy semleges hatást gyakorol az utódokra

Az adatok hozzáférhetősége

Az adatok a Dryadon érhetők el a 10.5061/dryad.z08kprr8k címen.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a kutatást az Európai Kutatási Tanács AgingSexDiff és a GermlineAgeingSoma, valamint a Svéd Kutatási Tanács támogatta az A.A.M. A szerzők köszönetet mondanak Hanne Carlsson segítségéért és két névtelen lektornak hasznos megjegyzéseikért. A.A.M. tervezte a projektet, és hozzájárult a kézirat elkészítéséhez. A.A.M. és B.S.M. megtervezte a kísérletet. KATONAI. végrehajtotta a kísérletet és hozzájárult a kézirat elkészítéséhez. B.S.M. elvégezte a kísérleteket, elemezte az adatokat és megírta a kéziratot.

Összeférhetetlenség

A szerzők kijelentik, hogy nincs összeférhetetlenség a Journal of Gerontology: Biological Sciences c.