Genotípus-diéta interakciók hajtják végre a metabolikus fenotípus variációit a Drosophila melanogaster-ben

Absztrakt

A METABOLIC szindróma (MetS) egy összetett betegség, amelyet elősegítenek a genetikai és környezeti hatások közötti kölcsönhatások (O 'R ahilly és F arooqi 2006), és úgy tűnik, hogy növekszik a prevalenciája a hagyományos és a nyugatias életmód felé történő átmenet hatására (L ee et al. 2004; S chulz et al. 2006). A MetS a metabolikus tünetek konstellációja, beleértve az inzulinrezisztenciát, a hasi elhízást és a dyslipidaemiát, és előre jelzi a szív- és érrendszeri betegségeket és a 2-es típusú cukorbetegséget (A lberti et al. 2006). Az állapot számos nyugatiasodott országban elérte a járvány mértékét (I somaa et al. 2001; F ord and G iles 2003; L orenzo et al. 2003; A lberti et al. 2006). Nem minden egyén hajlamos a nyugatias életmód káros hatásaira, de egyesek nagyon érzékenyek a környezetük hatásaira (S chulz et al. 2006).

Korábban azzal érveltünk, hogy a környezeti zavarok hozzájárulnak a krónikus betegségek közelmúltbeli növekedéséhez a nyugatiasodott társadalmakban azáltal, hogy rejtélyes genetikai variációkat tárnak fel, ez a jelenség különösen nyilvánvaló a metabolikus szindrómában (G ibson 2009). A komplex betegség növekedését a környezeti váltás után a populáció átlagának változása vagy a hajlamosító alapjellemző vagy endofenotípus megnövekedett szórása okozhatja, ami a lakosság nagyobb részének túllépi a betegség küszöbét (G ibson és R eed 2008 ). Az endofenotípusok lehetnek molekulárisak, például a glükóz sejtekbe történő felvételének sebessége, de tartalmazhatnak látható betegség-kovariánsokat, például testtömeget is. A hagyományos étrendről és életmódról való átmenet megzavarhatja metabolikus homeosztázisunkat, ezáltal elősegítve az elhízás, a hiperlipidémia, a cukorbetegség és a szív- és érrendszeri betegségek iránti fokozott hajlamot és gyakoriságukat.

A genetikai és környezeti kölcsönhatások bonyolultsága komoly kihívásokhoz vezet a sikeres betegségkezelési és megelőzési stratégiákban, mivel nagyon nehéz pontosan modellezni a természet és a táplálás relatív hozzájárulását az emberi populáció betegség-fogékonyságához. Az étrendi tényezők kimutatták, hogy kölcsönhatásba lépnek specifikus genetikai variánsokkal az anyagcsere-betegség kockázatának növelése érdekében az emberekben (C orella és O rdovas 2005; O rdovas 2006; C orella et al. 2009; W arodomwichit et al. 2009), de a relatív Az általános genotípus és a környezeti hatások hozzájárulását az emberi variációhoz nehéz meghatározni. A populáció szintű genotípus-interakciók modellezése egy olyan modell organizmus segítségével, mint a Drosophila kompenzálhatja a paraméter-becslés kutatási kihívásait az emberi populációkban.

A Drosophila számos rendszerben nagy homológiát mutat az emberekkel, ideértve a központi anyagcserét, az inzulin-jelátviteli utakat és a fiziológiás homeosztázisért felelős szerveket (pl. Szív, máj és vese) (R izki 1978; B odmer 1995; N ation 2002; R ulifson és mtsai 2002; D enholm és mtsai 2003; W essells és mtsai 2004). Kimutatták, hogy az ablált inzulintermelő idegsejtekkel rendelkező Drosophila hemolimfa-trehalózszintje megemelkedett, amelyet a diabéteszes fenotípussal párhuzamosnak tekintenek (R ulifson et al. 2002). Az inzulinjelzés elvesztése szintén helyreállítja a felnőtt pulzus normális ritmusát az öreg legyeknél (W essells et al. 2004), kapcsolatot teremtve az elhízás és a MetS szívkomponensei között. A Drosophila melanogaster 146 természetes genetikai izolátumával modelleztük a genetika, az étrend és más környezeti hatások relatív hozzájárulását a lárva súlygyarapodásának, a vércukor koncentrációjának, a lipidek tárolásának és a túlélésnek a MetS-szerű fenotípusaihoz. A genetikai vonalak mindegyikét négy különböző étrenden nevelték: normál laboratóriumi táplálékukat, kalóriadús (0,75% glükóz) táplálékot, magas (4%) glükóz tartalmú ételt és magas zsírtartalmú étrendet (3%) kókuszolajat.

ANYAGOK ÉS METÓDUSOK

Kísérleti vonalak:

Az ebben a vizsgálatban használt 146 kísérleti vonalat beltenyésztett izofemale vonalakból származtatták, amelyeket eredetileg két vad populációból gyűjtöttek 2004 nyarán, az egyiket az észak-karolinai West Endből, a másikat Martin Kreitman gyűjtötte a maine-i Cherryfield közelében. A vonalakat a teljes testvér párosítás 15–20 generációja beltenyésztette. A modell genetikai hatásainak konkrét becslései közvetlenül nem alkalmazhatók a tenyésztett populációkra, mivel a beltenyésztés kiküszöbölte a domináns hatásokat. Mindazonáltal az ebben a modellben megfigyelt tág genetikai variációk megbecsülik a tenyésztett populációkban jelenlévő episztatikus hatások adalékanyagát és egy részhalmazát.

Diétás kezelések:

A lárvákat a korai első stádiumoktól a késői harmadik stádiumokig (lipid- és hemolimfa-szénhidrát-mérésekhez), az érett bábákat pedig súly- és túlélési mérésekhez neveljük fiolánként 50-es sűrűségben, a megfelelő kezelési étrendjükön. Öt injekciós üveget készítenek egyidejűleg minden kezeléshez (genetikai vonal és étrend), és megismétlik őket, amelyekből három fiolát használnak a lárva fenotípusaihoz, kettőt pedig a pupilla fenotípusaihoz.

Fenotípusos mérések:

A lárva fenotípusos méréseihez a három kísérletileg azonos fiolából összegyűjtött harmadik instar lárvákat 6 órán át éheztettük, majd fagyasztottuk triglicerid és hemolimfa szénhidrátok vizsgálatára (kezelésenként három független ismétlésben, minden fenotípus esetében). A teljes trigliceridtartalmat hat véletlenszerűen kiválasztott lárva homogenizátumain határoztuk meg a Sigma triglicerid meghatározó készlet és egy 96 üreges spektrofotométer segítségével (C lark és K eith 1988; D e L uca et al. 2005). A rovarok a hemolimfában keringő trehalózcukrot használják elsődleges molekulaként a potenciális energia tárolására és a szövetekbe juttatására (W yatt 1961). A trehalóz egy diszacharid, amelyet a trehaláz könnyen két glükózra bont, hogy a glükóz elérhető legyen a glikolízishez (N ation 2002). A hemolimfa szénhidrát koncentrációt mintánként több mint 20 lárvából összegyűjtött hemolimfa koncentrációban határoztuk meg, kapilláris csővel gyűjtöttük össze, majd trehalázzal kezeltük, és a kapott glükóz koncentrációt Sigma glükóz meghatározó készlet és egy 96 üreges spektrofotométer segítségével határoztuk meg (R ulifson et al. 2002).

A bábu nedves súlya meglehetősen állandó a baba egész szakaszában (C hurch és R obertson 1966), és a késő harmadik instar lárva súlya, amely megtisztította béltartalmát (A shburner et al. 2005). Megbízható mutatója a lárvafejlődés során felhalmozódott testtömegnek a felnőttek táplálkozásának és szaporodásának zavaró tényezői előtt. A bábok nedves súlyát egyedileg határoztuk meg, legfeljebb 15 tiszta és érett (12 órán belül az eklóziótól, amikor a nemi fésűk könnyen megfigyelhetők) hím bábokat injekciós üvegenként, mindkét kezelés után, és megismételjük, Mettler Toledo XS105 mérleg alkalmazásával. A lárvák túlélését úgy számítottuk, hogy az injekciós üvegenként az eredeti 50 első instar lárva aránya a bábozódás eléréséhez, míg a bábu túlélése az egyes fiolák érettségét elérő bábuk arányát jelentette. Bebizonyosodott, hogy a túlélés a diéta minőségének függvénye, és nem függ szigorúan a lárva súlyától (de M oed et al. 1999). A fejlődési időt az első instar lárváktól az első érett bábáig tartó időnek számítottuk, és csak a tavaszi ismétlésben mértük. Az itt „úthosszként” rögzített lárva táplálkozási magatartást 22 vonal egy részhalmazán mértük, miközben azt a távolságot, amelyet egy harmadik közepes lárva 5 perc alatt megtett egy élesztő pasztán, törzsenként 20 lárva replikálódott 5 egymást követő napon (O sborne et al., 1997).

Az összes szülői vonal felvetődött a szokásos étrenden. A szülői vonalakat és a kísérleti fiolákat 12 óra: 12 óra fény: sötét ciklusban tartottuk 25 ° -on. Méréseket kaptunk mind a 146 vonalon randomizált blokktervezéssel, elosztva egy 6 hónapos időszakban 2007 áprilisától szeptemberig, amelyben minden héten 7-12 vonalból álló blokkokat állítottunk fel, amelyeket mind a négy étrenden teszteltünk, öt ismétléssel. injekció injekciónként. A mind a négy étrendből harminc sort replikáltunk ugyanabban a kúriában (véletlenszerűen hetekre blokkolva) a következő tavasszal. A fenotípusos variációk korreláltak a külső páratartalommal, így a külső környezeti változásokat úgy kontrolláltuk, hogy a harmatpontot kovariátként vettük fel a helyi proxymérések segítségével. időjárási állomás adatai a Raleigh-Durham Nemzetközi Repülőtérről (KRDU, 35–54N 78–46W 130M). Minden adatkészlet elérhető az S1 fájlban.

Adatelemzés:

A cukortitrálás és a táplálkozási geometriai kísérletek jelentőségét a rögzített hatások F-tesztjével határoztuk meg a Proc Mixed SAS/STAT szoftverben. A cukortitrálási kísérlethez a modell a q. vonal (L), az rth cukortípus (ST) és az sth% cukor (PS) t-ik bábjától kapott adatokra vonatkozott, ebben az esetben az összes tényezőt rögzített hatásként modelleztük, mivel ezek szándékosan választottak, hogy meghatározott vonalakat vagy kezeléseket képviseljenek. A táplálkozási geometria elemzéséhez egy további kifejezést adtak hozzá, amely az uth százalékos zsírtartalmat (PF) jelöli.

A páros fenotípusos tulajdonságok korrelációit a JMP 7. verziójában számoltuk az egyes étrendek vonalonkénti átlaga alapján, ismétlődő hétenként csoportosítva. Az étrend miatt megnövekedett varianciát a JMP (7. verzió) és a Levene-teszt alkalmazásával teszteltük az egyenlőtlen variancia alkalmazásával, diétákon keresztül alkalmazva a sorok közötti varianciát (genetikai variancia), míg a soron belüli környezeti varianciát a maradványok soron belüli varianciájaként számoltuk a vonal fő hatásának elszámolása (R. W olfinger, személyes kommunikáció). Az étrendpárok közötti genetikai korrelációt, amely csak a genetikának tulajdonítható, hozzájárul az étrendek közötti teljes fenotípusos korrelációhoz, a SAS Proc Mixed segítségével SAS/STAT szoftverben számítottuk ki, meghatározva a genetikai vonalat a genetikai variáns és a kovariancia becsléséhez. minden étrendpár minden tulajdonsághoz, míg a diétát véletlenszerű hatásként modellezték (Holland 2006). A genetikai korrelációt úgy számoltuk, hogy ahol CovGvw az v és w étrend közötti genetikai kovariancia, VGv és VGw pedig az egyes diéták genetikai eltérései,.

EREDMÉNYEK

A fenotípusos variációk forrásai:

Genetikai variáció. Az X tengely az egyes beltenyésztett izofemale vonalakat jelöli növekvő tulajdonság átlag alapján. A hibasávok egy szokásos hibát jeleznek. Az A - E esetében a * az Oregon R laboratóriumi törzset, míg az A, D és E esetében a # a Canton S laboratóriumi törzset jelöli. (A) A súly jelentős genetikai variációja. (B) A lipidtartalom jelentős genetikai variációja. (C) Jelentős genetikai variáció a hemolimfa szénhidrátkoncentráció szempontjából a log transzformált adatokon. (D) Jelentős genetikai variáció a lárvák túlélésére. (E) Jelentős genetikai variáció a pupilla túlélése szempontjából. (F) A takarmányozási viselkedés jelentős genetikai variációja. R jelöli a vezérlő „rover” vonalát, S pedig a vezérlő „sitter” vonalát.

Az egyes mintamértékeknél a tulajdonságok között kifejtett varianciaarány

Az étrend hatásai kevésbé jelentős mértékben járultak hozzá a varianciához, és csak a teljes fenotípusos variancia 1–8% -át magyarázták, kivéve a pupilla túlélését, ahol az étrend a teljes variáció 47% -át magyarázta (1. táblázat, S1. Ábra). A táplálkozás miatti alacsony szórás ellenére volt néhány ellentmondó szokás, amelyek közül a legfontosabb a megnövekedett pupilla súlya a kalóriadús étrendben a normál étrendhez képest (S1. Ábra). Egy ilyen mintázat azt jelentheti, hogy a lárvák táplálékbevitelüket modulálják a korlátozott kalória kompenzálására, vagy hogy alapvető különbség van a fiziológiai reakcióban a normális (szacharóz) és a cukor típusa között. korlátozott kalóriatartalmú étrend (glükóz).

A legérdekesebb variancia-megállapítás az volt, hogy a genotípus étrendenkénti interakciós hatása sokkal nagyobb volt, mint a kizárólag étrend súlyra, triglicerid-tárolásra és hemolimfa-szénhidrát-koncentrációra gyakorolt hatása, ami a fenotípusos variancia 12–17% -át magyarázta, amint azt a a vonalvezetés kiterjedt keresztezése (2. ábra, 1. táblázat). A bábu túlélése szintén nagy arányban mutatta ki az étrend szerinti genotípus eltérést (20%), bár nem volt nagyobb, mint az étrend miatt kialakult variancia (47%). A jelentős interakciós kifejezések jelenléte csak a fő hatások értelmezését veszélyezteti. Ezekben az esetekben a genotípus hatása az étrend minden szintjén eltérő lehet. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a diéta önmagában csak kis mértékben járul hozzá a legtöbb metabolikus fenotípushoz, de a metabolikus fenotípusok variációinak nagy részét a genetika és az étrenddel való genetikai kölcsönhatás vezérli (3. ábra).

Variance partíció. A „hét” a blokkolt heti hatást jelzi. Ne feledje, hogy sok vonás esetében a genetikai és az étrendenkénti interakciós hatások sokkal inkább a varianciát magyarázzák, mint a diéta önmagában. (A) Variancia partíció a súlyhoz. (B) A lipidtartalom variancia partíciója. (C) Variációs partíció a hemolimfa szénhidrátkoncentrációhoz. (D) Variancia partíció a lárvák túléléséhez. (E) Variancia partíció a pupilla túléléséért.

Megmértük a lárvák táplálkozási viselkedésének (O sborne és mtsai 1997) ezen anyagcsere-fenotípusokra gyakorolt hatását is, és megállapítottuk, hogy a súly és a triglicerid-tartalom fenotípusos variációjának normál étrenden belüli 8,5% -a összefügg a veleszületett lárvák viselkedésével. Annak ellenére, hogy minden vonal „sitter-szerű” fenotípussal rendelkezik, a lárvák táplálkozási magatartása ezeken a vonalakon jelentős genetikai variációt mutat, a teljes fenotípusos variáció 10,7% -át (P = 0,0004), ami azt mutatja, hogy a takarmányozási magatartás kvantitatív erős Mendeli tényező a természetes populációkban (D ebelle és S okolowski 1987). A harmatpont hatásai szintén jelentősek voltak, amelyek az egyes tulajdonságok fenotípusos varianciájának legfeljebb 6% -át magyarázták (1. táblázat).

Heritabilitások és összefüggések:

A becsült öröklődés minden tulajdonságra mérsékelt volt, 0,053 és 0,261 között mozgott (2. táblázat), ami összhangban áll a legtöbb természetes populáció morfometriai, viselkedési és élettörténeti jellemzőinek legtöbb becslésével (M ousseau és R off 1987; L ynch és W alsh 1998; K ruuk et al., 2000). A genetikai variációs együtthatók (CVA) azonban úgy érvelnek, hogy jobban megjósolják egy tulajdonság fejlődési potenciálját (H oule 1992), mégis érdekesebbek. A legtöbb tulajdonság esetében az értékek 3,8–25,7% között mozognak, összhangban a CVA-val, amelyet tipikusan más Drosophila-vizsgálatokban (H oule 1992) figyeltek meg, de a hemolimfa-szénhidrát-koncentráció tulajdonságára az érték szokatlanul nagy, 101,8% 2). A magas genetikai variációs együttható azt jelenti, hogy a tulajdonság nem tapasztal hatékony szelekciót a vad genetikai variációjának csökkentésére. A nem hatékony szelekció lehetséges okai az, hogy a tulajdonságon való kiválasztás viszonylag gyenge és/vagy a tulajdonság környezeti szórása viszonylag nagy. A hemolimfa koncentráció esetén a maradék variáció együtthatója (CVR) is nagy volt (2. táblázat), ezért feltételezzük, hogy a hemolimfa szénhidrátnak természeténél fogva nagy a környezeti szórása, és hogy genetikai szabályozása a szelekció stabilizálása alatt alakul ki az öröklődés irányába. egy par a többi anyagcsere tulajdonsággal.

A beltéri vonal modellje alapján (környezeti) és a vonalak közötti (genetikai) variáció, öröklődés és genetikai variációs együttható a normál étrend fenotípusos tulajdonságaihoz

Az összes étrendben és genotípusban a súly negatívan korrelált a hemolimfa szénhidrátkoncentrációval és a lárvák túlélésével, de a súly pozitívan korrelált a pupilla túlélésével és a takarmányozási út hosszával (3. táblázat, az étrend szerinti tulajdonságok összefüggései az S2. Táblázatban találhatók). A teljes trigliceridtartalom negatívan korrelált mindkét túlélési méréssel, jelezve, hogy a zsírraktározást növelő környezeti vagy genetikai jellemzők káros hatással vannak a fiatalkorúak és a felnőttek erőnlétére. A lárva és a pupilla túlélése pozitívan korrelált egymással. A testsúly és a pupilla túlélése közötti pozitív korreláció összhangban áll a súly és a fittség között más rovarvizsgálatokban jól dokumentált pozitív korrelációval (H onek 1993). A súly és a trigliceridtartalom közötti korreláció hiánya összhangban van a korábbi megállapításokkal (W ang et al. 2005).

Pár korreláció a fenotípusos tulajdonságok között minden étrendben

A súly és a lárvák táplálékútjának hossza közötti pozitív összefüggés talán ellentmondásos, de jelezheti az általános élettani egészségi állapotot, amely nagyobb aktivitási szintet és hatékonyabb erőforrás-megszerzést tesz lehetővé lárvaként, lehetővé téve az egészséges súlygyarapodást. Az ülőkhöz képest kimutatták, hogy a roverek kevesebbet esznek, de hatékonyabban szívják fel a kalóriákat, és hajlamosak több kalóriabevitelüket lipidként, mint szénhidrátként tárolni bőséges étkezési körülmények között (K aun et al. 2007, 2008). A pálya hossza és a lipidtartalom közötti nem szignifikáns pozitív összefüggés megállapítása összhangban áll a korábban megfigyelt kontrasztos roverek és ülők mintáival. Ezek az eredmények együttvéve azt sugallják, hogy nincs egyszerű kapcsolat a táplálkozási magatartás, a testsúly és a fittség között.

Cukor titrálás és táplálkozási geometria:

A táplálkozási geometria az élettani válasz empirikus feltérképezése a táplálkozás variációjának két vagy több dimenziójára (L ee et al. 2008). Ezek a szerzők azt találták, hogy az egyetlen genotípusú legyek élettartama és termékenysége a fehérje és a szénhidrát különböző relatív koncentrációjánál optimalizálva van. Tekintettel arra, hogy a négy kísérleti étrendünkben 146 vonalunkban a testsúlyra figyelemmel figyeltük meg a nagy genotípus-diétás hatásokat, arra voltunk kíváncsiak, hogy ezek a hatások feltérképezhetők-e meghatározott cukortípusokra vagy cukor- és zsírkoncentrációkra.

Cukor titrálás. Hat különböző genotípus és 12 egyszerű cukortartalom 0 és 20% között mérve szignifikáns kölcsönhatás volt a genotípus, a cukortípus (szacharóz, glükóz és fruktóz) és a cukorkoncentráció között (P arbrick -S mith et al. 2006) . Azonban vegye figyelembe azt is, hogy a kanonikus laboratóriumi törzsek (Oregon R és Canton S, 1. és 2. ábra) viszonylag nagy súlyúak és a pupilla túlélése, valamint alacsony trigliceridtartalom, hemolimfacukor-koncentráció és lárvák túlélése volt, ami óvatosságra int azzal a feltételezéssel, hogy a standard laboratóriumi törzsekben történő szabályozás teljes mértékben reprezentálja a természetben előforduló fiziológiák normál tartományát.