Az étrendi korlátozás víz- és tápanyagfüggő hatása a Drosophila élettartamára

Szerkesztette David L. Denlinger, Ohio Állami Egyetem, Columbus, OH, és 2009. szeptember 4-én jóváhagyta

2 W.W.J. és G.B.C. egyformán járult hozzá ehhez a munkához. (felülvizsgálatra beérkezett 2009. július 17-én)

Absztrakt

Az étrendi korlátozás (DR) egy széles körben konzervált beavatkozás, amely az élettartam meghosszabbodásához vezet. Jelentős erőfeszítések ellenére a DR alapjául szolgáló mechanizmusok továbbra sem ismeretesek. Különösen nem világos, hogy a DR meghosszabbítja-e az életet a különböző fajok konzervált mechanizmusain keresztül. Itt megmutatjuk, hogy a leggyakoribb kísérleti körülmények között a DR élettartamának meghosszabbítása megszűnik azáltal, hogy a Drosophila-t ad libitum vízzel látják el, anélkül, hogy megváltoztatnák a táplálékfelvételt, jelezve, hogy a legyekben hagyományosan tanulmányozott DR alapvetően különbözik a emlősök. Alternatív táplálkozási paradigmát írunk le, amely a víz rendelkezésre állásától függetlenül robusztus élettartam-meghosszabbítást vált ki, és így valószínűleg relevánsabb modellt képvisel az emlősök DR esetében. Eredményeink alátámasztják azt a nézetet, hogy a fehérje: szénhidrát arány a légy élettartamának legfőbb étrendi meghatározója. Ezeknek a megállapításoknak széleskörű következményei vannak az élettartam és a táplálkozás vizsgálatára.

Az étrendi korlátozás (DR), amelyet klasszikusan az alultápláltságtól függetlenül a tápanyagok elérhetőségének csökkentéseként határoznak meg, meghosszabbíthatja az élesztő élettől az egerekig terjedő élettartamát (1, 2). Rágcsálókban és főemlősökben a DR késlelteti az életkorral összefüggő patológiák, például a rák, a szív- és érrendszeri betegségek és a cukorbetegség kialakulását (3-5). A krónikus DR számos élettani változást is kivált, beleértve a csökkent keringő glükóz-, inzulin- és koleszterinszintet; csökkent testtömeg; és károsodott reproduktív funkció (5–8). A DR iránti nyilvánvaló orvosbiológiai érdeklődés ellenére mechanisztikus alapja nagyrészt ismeretlen, és nem világos, hogy a DR hasonló mechanizmusok révén meghosszabbítja-e az élettartamot a különböző fajokban (9, 10). Ez a kérdés alapvető fontosságú, mivel a gerinctelen modellrendszereket különösen azért értékelik, mert képesek emlősökben kipróbálni mechanisztikus nyomokat.

Emlősöknél az élelemkorlátozást a DR kohorsz etetésével hozzák létre az ad libitum csoport által bevitt mennyiség töredékével (2). A gerinctelenek etetési arányának szabályozása nehézségek miatt ötletesebb, bár potenciálisan problémás technikákat alkalmaznak. A Drosophila DR-t általában teljes élelmiszer-hígítással érik el (11), és külön vízforrás hiányában hajtják végre, ellentétben más fajokkal (12–16). Ezért a légyeledel egyszerre a tápanyagok * és a víz forrása. Ez a beállítás megakadályozza, hogy a legyek függetlenül szabályozzák a tápanyag- és vízbevitelt, így lehetőség nyílik arra, hogy az étel hígításának bármilyen hatását a hidratáció változásai közvetítsék.

Eredményeink azt mutatják, hogy a tipikus DR-rendszerek (17–20) élettartamának meghosszabbítása teljesen megszüntethető azáltal, hogy a legyeknek szabadon hozzáférnek a vízhez. A vízpótlás nem befolyásolja az élelmiszer-fogyasztást, ami azt sugallja, hogy a DR - a tipikusan alkalmazott módon - nem befolyásolja a hosszú élettartamot a csökkent tápanyagbevitel révén. Ezenkívül jellemezünk egy olyan rendszert, amely a vízpótlástól függetlenül robusztus élettartam-meghosszabbítást vált ki. Eredményeink arra utalnak, hogy a Drosophila DR-n végzett munka nagy részét a hidratáció változásai zavarták meg. Olyan körülmények között, ahol a vízbevitel nem korlátozza, a DR élettartam-modulációja magyarázható a fehérje: szénhidrát aránnyal.

Eredmények és vita

Élelmiszer- és vízbevitel közepes rádiójelzéssel vizsgálva (22). (A és B) Élesztő kivonat/szacharóz (YE/S) táplált Canton-S hímek demográfiai ketrecekben tartva. (C és D) Sörélesztő/szacharóz (BY/S) táplált Canton-S hímek demográfiai ketrecekben tartva. (E és F) BY/S-vel táplált Dahomey nőstények fiolákban tartva. A legyek nagyobb mennyiségű vizet isznak, és kevesebbet fogyasztanak az ételből, amikor az YE/S (A és B) vagy a BY/S (C – F) koncentrációja növekszik. Az eredményeket 2–6 kísérlet átlagában (± SD) fejezzük ki, amelyek mindegyike 6–16 legyet tartalmaz. Élelmiszer-összetétel, YE/S: DR = 2,5% YE + 2,5% S; CM = 10% YE + 10% S; 2 × CM = 20% YE + 20% S; BY/S: DR = 10% BY + 5% S; CM = 20% BY + 10% S (összes tömeg/térfogat). A statisztikai szignifikanciát nem párosított, kétfarkú Student-féle t tesztekkel határoztuk meg a DR és CM vagy CM és 2 × CM táptalajon elért eredmények között: *, P 0,05).

Eredményeink összességében azt mutatják, hogy a DR-ben alkalmazott közös táplálék/víz forrásokkal szemben a legyek elsőbbséget élveznek a tápanyagbevitel szabályozásának kompenzációs etetés útján, az optimális hidratálás rovására. Mivel a gazdagabb táptalajnak kitett legyek lényegesen szomjasabbak, mint a kontrollok (1. ábra A, C és E ábra), megkérdeztük, hogy ez a krónikus dehidrációs állapot befolyásolja-e a hosszú élettartamot. Az élettartamot DR-n és CM-n mértük vízpótlással és anélkül. A kontroll csoportban a vizes közeget (1% agar) nejlon hálóval borítottuk, megakadályozva a vízforráshoz való hozzáférést, miközben azonos páratartalmat biztosított. Feltűnő, hogy az ad libitum vízhez való hozzáférés meghosszabbította a CM-vel táplált legyek túlélését DR kohorszuk szintjére, míg utóbbiak csak enyhe előnyöket tapasztaltak víz jelenlétében (2. ábra A és B). Ennek eredményeként a DR meghosszabbította az élettartamot a vizes forrás távollétében, de nem jelenlétében (2C. Ábra és S1. Táblázat). A DR és a vízpótlás nem addicionális hatása az élettartamnak nem az abszolút élettartam-felső határnak vagy a maximumnak tudható be, mivel más körülmények nagyobb élettartamot biztosítanak (S2. Táblázat).

Az ad libitum vízpótlás étrendi korlátozással (DR) szünteti meg az élettartam meghosszabbítását. (A – C) Élesztő kivonat/szacharóz (YE/S) táplált Canton-S hímek demográfiai ketrecekben. Élettartam görbék koncentrált (CM) vagy DR táptalajon tartott (A) és (B) vízpótlás nélkül. (C) A legyek átlagos élettartama (± SEM) CM, DR vagy erősen hígított éhezési közeg (SM) étrendjén alultápláltságot jelent. (D – F) A demográfiai ketrecekben öregedett sörélesztő/szacharóz (BY/S) táplált Canton-S hímek élettartam-görbéi és átlagos élettartama, az (A – C) szerint. (G – I) Az ampullákban öregedett BY/S táplált Dahomey nőstények élettartam-görbéi és átlagos élettartama, az (A – C) -hez hasonlóan. Vízforrás hiányában a DR étrend minden vizsgált körülmények között meghosszabbította az élettartamát a CM-vel táplált legyekhez képest (A, P = 1,3 × 10 −4; D, P = 2,4 × 10 −6, G, P = 2,5 × 10 −3; log-rank teszt). (B, E és H) A DR-nek nem volt hatása (P> 0,05, log-rank teszt) az élettartamra a vízpótlás során. Az étel összetételét az 1. ábra írja le; YE/S: SM = 0,1% YE + 0,1% S; BY/S: SM = 1% BY + 0,5% S (összes tömeg/térfogat). n = 68–156 repül próbánként. A Cox arányos veszélyelemzésének statisztikái, amelyek bemutatják a DR jelentősen csökkentett hatását a vízpótlásra, az S1 táblázatban találhatók.

Teszteltük a vízhozzáférés életciklusra gyakorolt hatását különböző nemekben, légyfajtákban, táptalajokban és állattartó helyeken. A vízpótlás utánozta a DR hosszú élettartamát fokozó hatását minden vizsgált körülmények között (2. ábra D – I, valamint az S1 és S2 táblázat), az ételbevitelre nincs jelentős hatással (1. ábra B, D és F). Az élettartam DR meghosszabbításának mértéke víz hiányában egyezik a közölt eredményekkel (17). Nevezetesen, egyik kísérletünk (2. ábra G – I) hűen megismételte a közelmúltban javasolt feltételeket, amelyek a legmegfelelőbbek a DR-kísérletekhez, az élettartamra és a termékenységre gyakorolt hatásuk alapján (17). Ezeknek a megállapításoknak a legegyszerűbb magyarázata az, hogy a Drosophila DR-ben és a vízpótlásban alkalmazott tipikus körülmények nagyrészt átfedő mechanizmusok révén meghosszabbítják az élettartamot.

Eredményeink ellentmondanak egy nemrégiben készült tanulmánynak, amely nem talált hatást az élettartamra, amikor a vizet pipetta hegyében látták el, bár a vízfogyasztást nem erősítették meg (17). Az itt használt lényegesen nagyobb vízfelület fokozhatja a hozzáférést vagy ellensúlyozhatja a zsúfoltsági hatásokat, a mikroorganizmusok növekedését, az ürülék felhalmozódását vagy más meghatározatlan tényezőket.

Bár a DR-t élesztő kivonaton/szacharózon/kukoricaliszten (YE/S/C) állapították meg önmagában változó élesztőgombán (28, 29), ezt a paradigmát sokkal ritkábban használják. Az összes többi vizsgált rendszertől eltérően az YE/S/C elhanyagolható vízfogyasztást váltott ki alacsony és magas élesztős formában (S2A ábra), ami azt jelzi, hogy az YE/S/C egyedülálló abban, hogy képes kielégíteni az állatokat. vízigény. Érdekes módon az élesztőszint csökkentése YE/S/C-ben stimulálta az élelmiszer lenyelését (S2B ábra), bizonyítva, hogy a kompenzációs táplálás nem feltétlenül eredményez dehidrációt, és arra utal, hogy a vízigényt az etetési viselkedés és a specifikus tápanyagforrás kölcsönhatása határozza meg.

Az YE/S/C paradigmában a DR meghosszabbította az élettartamot férfiaknál és nőknél, függetlenül a víz hozzáférésétől (3. ábra). A CM-vel táplált, vízhez jutó hímek életének kis növekedése nem volt megismételhető (S3. Ábra). Fontos, hogy a női termékenység közvetlenül korrelált az élesztő szintjével (4. ábra), az élesztő kivonat mérgező hatása ellen érvelt (9). Ezért kialakítottunk egy paradigmát, ahol a tápanyag-manipuláció egyértelműen befolyásolja a hosszú élettartamot, függetlenül a víz elérhetőségétől.

A vízpótlás nem befolyásolja az élettartam meghosszabbítását, ha az élesztőgombát önmagában redukálják élesztő kivonaton/szacharózon/kukoricaliszten (YE/S/C). (A – C) YE/S/C táplált Canton-S hímek demográfiai ketrecekben. Élettartam-görbék (A) és (B) vízpótlással a legyek koncentrált táptalajon (CM) vagy étrendi korlátozáson (DR) tartva. (C) A legyek átlagos élettartama (± SEM) CM-en vagy DR-n. (D – F) A demográfiai ketrecekben idős YE/S/C-táplált Canton-S nőstények élettartam-görbéi és átlagos élettartama, (A – C) -hez hasonlóan. Ebben a paradigmában az élesztő csökkentése meghosszabbította az élettartamot mind a víz hiányában (A és D), mind a víz jelenlétében (B és E) (P −6, log-rank teszt). Élelmiszer-összetétel, YE/S/C: DR = 0,25% YE + 5% S + 8,6% C; CM = 5% YE + 5% S + 8,6% C (összes tömeg/térfogat). n = 60–86 legyek kísérletenként. A Cox arányos veszélyelemzés statisztikáit az S1 táblázat mutatja.

Eredményeink összhangban állnak azzal a nézettel, hogy a fehérje: szénhidrát (P: C) arány a légy élettartamának legfőbb étrendi meghatározója (34), ezt a tényt a hidratációs zavar klasszikusan elhomályosíthatja. Ahogyan ez a modell megjósolta, a teljes közeg hígításán alapuló és így az állandó P: C arányt fenntartó klasszikus DR paradigmáknak csak enyhe, tápanyagtól független hatása van az élettartamra, míg az itt alkalmazott YE/S/C paradigma az élesztő önmagában történő megváltoztatása és ezáltal a P: C arány megváltoztatása drasztikusabban és tápanyagfüggő módon befolyásolja a hosszú élettartamot. Nevezetesen, a YE/S/C alacsony élesztőgátló formájának P: C aránya 1:15, hasonló a Lee és mtsai által leírt 1:16 értékhez. mint a hosszú élettartam szempontjából optimális (34). Más DR paradigmáknak, amelyek a megfelelő tartományon belül megváltoztatják a P: C arányt anélkül, hogy kiszáradást okoznának, funkcionálisan egyenértékűnek kell lenniük az YE/S/C értékkel. Eredményeink a Drosophila táplálkozási arányának figyelemre méltó plaszticitását is igazolják, összhangban azzal a megállapítással, hogy a légy élettartamát a P: C arány és a táplálékbevitel kölcsönhatása határozza meg (34). Az ezekből a megfigyelésekből levonható tanulság az, hogy az egyensúlyi állapotú táplálékbevitel kvantitatív mérése elengedhetetlen minden olyan tanulmányhoz, amelynek célja a táplálkozás életciklusra gyakorolt hatásainak megértése.

Eredményeink közvetlenül ellentmondanak annak a régóta fennálló feltételezésnek, hogy az élelmiszer-manipuláció kizárólag a tápanyag-fogyasztás változásain keresztül befolyásolja a légy élettartamát. Mivel ez a téves nézet már a kezdetektől fogva elterjedt a területen (11), megfigyeléseink indokolttá teszik a Drosophila DR teljes munkájának gondos átvizsgálását. A gyümölcslegyek (18–20, 24, 35, 36) munkájából származó bármilyen meglátást potenciálisan megzavarhatja a hidratáció változásai, és ezért nehéz extrapolálni az emlős DR-re. Ez a figyelmeztetés kiterjed a számos mutánsra, amelyekről kimutatták, hogy szabályozzák a légy DR-jét (például 37, 38). Átfogó validálásra lesz szükség annak értékének felméréséhez, mint a DR-re utaló jelek és a magasabb organizmusokban való öregedés. Minden jövőbeni munkának olyan feltételeket kell alkalmaznia, amelyekben az ad libitum víz jelen van, vagy bizonyítottan nem befolyásolja az élettartamot.

Kísérleti eljárások

Reagensek.

A Bacto ™ agar és élesztő kivonat a BD Diagnostic Systems, a szacharóz a Mallinckrodt Baker, a sörélesztő az MP Biomedicals és a kukoricaliszt (sárga) a Quaker Oats. Drosophila palackokat (polipropilén, 8 oz. Kerek aljú) és fiolákat (polisztirol, 25 × 95 mm) a VWR International-tól vásároltunk. Az élettartam mérése a ketrecekben (nagy embriógyűjtő ketrec, Genesee Scientific) ételt és vizet osztott edényekben (négyrészes lemezek, Fisher Scientific) szállítottak.

Étel előkészítés.

Az ételkompozíciókat az ábrajegyzetek tartalmazzák. Az agart (0,5%, ha az étel kukoricadarát tartalmazott, különben 1%, tömeg/térfogat) melegítettük folyamatos keverés mellett ddH2O-ban (10–20% -kal kevesebb, mint a kívánt végső térfogat) egy forró lemezen. Forralás után élelmiszer-összetevőket adunk hozzá, és a hő csökken. 2 percig tartó erőteljes keverés után az ételt levettük a tűzről, és a végső térfogatot ddH2O-val állítottuk be. 70% -os lehűlés után). A legyeket a túlélés szempontjából pontoztuk, és 2-3 naponta friss táptalajjal láttuk el. A burkolatokat véletlenszerűen helyeztük el az inkubátorban, és a helyzeteket minden átadás után elforgattuk a mikroklíma hatásainak minimalizálása érdekében. A különböző túlélési görbék statisztikai szignifikanciáját log-rank teszttel határoztuk meg. A Cox-arányos veszélyelemzést szintén alkalmazták, hogy víz jelenlétében vagy hiányában az egyes kísérletekhez veszélyességi arányt hozzanak létre (S1. Táblázat). Ha a veszélyességi arány közel 1, a DR-nek csekély hatása van a túlélésre.

Az adagolási sebesség mérése.

Az etetési vizsgálatokat lényegében a leírtak szerint végeztük (22). Röviden, a felnőtteket (2–5 naposok, kb. 10 legyek/injekciós üveg) 4 napig szoktattuk a tesztelt táptalajon, a második napon friss ételekbe helyeztük át. A 4. napon a legyeket ugyanarra a táptalajra helyeztük, kiegészítve 0,5–4 μCi/ml [α-32P] -dCTP-vel (1 Kinek kell címezni a levelezést. E-mail: billjaits.caltech.edu

Szerző közreműködései: W.W.J., G.B.C., B.M.Z., T.B. és S.B. tervezett kutatás; W.W.J., G.B.C., B.M.Z. és E.M.M. végzett kutatás; W.W.J., G.B.C. és B.M.Z. elemzett adatok; és W.W.J. és G.B.C. írta a lap.

A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.