Abstract

Sindromul METABOLIC (MetS) este o boală complexă care este promovată de interacțiunile dintre efectele genetice și de mediu (O 'R ahilly și F arooqi 2006) și pare să crească în prevalență ca răspuns la o tranziție de la stilul de viață tradițional la cel occidentalizat (L ee și colab. 2004; S chulz și colab. 2006). MetS este o constelație de simptome metabolice, inclusiv rezistența la insulină, obezitate abdominală și dislipidemie, și este predictiv al bolilor cardiovasculare și al diabetului de tip 2 (A lberti și colab. 2006). Condiția a atins proporții epidemice în multe țări occidentalizate (I somaa și colab. 2001; F ord și G iles 2003; L orenzo și colab. 2003; A lberti și colab. 2006). Nu toți indivizii sunt susceptibili la efectele dăunătoare ale unui stil de viață occidentalizat, dar unii indivizi sunt foarte sensibili la efectele mediului lor (S chulz și colab. 2006).

genotip-după-dietă

Am susținut anterior că perturbarea mediului contribuie la creșterea recentă a bolilor cronice în societățile occidentalizate prin expunerea variației genetice criptice, fenomen care poate fi deosebit de evident în sindromul metabolic (G ibson 2009). Creșterile bolii complexe după o schimbare a mediului pot fi cauzate atât de o modificare a mediei populației, fie de o variație crescută a unei trăsături subiacente predispozante, sau endofenotip, determinând o porțiune mai mare a populației să depășească pragul bolii (G ibson și R eed 2008 ). Endofenotipurile pot fi moleculare, cum ar fi rata de absorbție a glucozei în celule, dar includ și covariabile vizibile ale bolii, cum ar fi masa corporală. Tranziția de la dietele și stilurile de viață tradiționale ar fi putut să ne deranjeze homeostazia metabolică, promovând astfel o susceptibilitate crescută și, la rândul său, prevalența obezității, hiperlipidemiei, diabetului și bolilor cardiovasculare.

Complexitatea interacțiunilor genetice și de mediu duce la provocări majore în strategiile de succes și de prevenire a tratamentului bolii, în sensul că este foarte dificil să se modeleze cu precizie contribuțiile relative ale naturii și să se hrănească la susceptibilitatea bolii la o populație umană. S-a demonstrat că factorii dietetici interacționează cu variante genetice specifice pentru a crește riscul bolilor metabolice la om (C orella și O rdovas 2005; O rdovas 2006; C orella și colab. 2009; W arodomwichit și colab. 2009), dar relativul contribuția genotipului general și a efectelor asupra mediului asupra variației umane este dificil de determinat. Modelarea interacțiunilor la nivel de populație genotip-mediu folosind un organism model ca Drosophila poate compensa provocările de cercetare ale estimării parametrilor la populațiile umane.

Drosophila are o omologie deosebită pentru oameni într-o serie de sisteme, inclusiv metabolismul central, căile de semnalizare a insulinei și organele responsabile de homoeostaza fiziologică (de exemplu, inima, ficatul și rinichii) (R izki 1978; B odmer 1995; N aziunea 2002; R ulifson și colab. 2002; D enholm și colab. 2003; W essells și colab. 2004). S-a demonstrat că Drosophila cu neuroni ablatori producători de insulină au niveluri crescute de hemolimfă trehaloză, considerate paralele cu un fenotip diabetic (R ulifson și colab. 2002). Pierderea semnalizării insulinei restabilește ritmicitatea normală a ritmului cardiac al adulților la muștele vechi (W essells și colab. 2004), oferind o legătură între obezitate și componentele cardiace ale MetS. Am folosit 146 de izolate genetice naturale de Drosophila melanogaster pentru a modela contribuțiile relative ale geneticii, dietei și altor efecte asupra mediului asupra fenotipurilor similare MetS ale creșterii în greutate larvare, a concentrației zahărului din sânge, a depozitării lipidelor și a supraviețuirii. Persoanele din fiecare dintre aceste linii genetice au fost crescute în patru diete diferite: alimentele lor normale de laborator, un aliment cu restricții calorice (0,75% glucoză), un aliment bogat în glucoză (4%) și o dietă bogată în grăsimi care conține (3%) ulei de cocos.

MATERIALE ȘI METODE

Linii experimentale:

Cele 146 de linii experimentale utilizate în acest studiu au fost derivate din liniile consanguine isofemale colectate inițial din două populații sălbatice în vara anului 2004, una din West End, Carolina de Nord, iar cealaltă colectată de Martin Kreitman lângă Cherryfield, Maine. Liniile au fost consangvinizate de 15-20 de generații de împerechere plină. Estimările specifice ale efectelor genetice din acest model nu se aplică direct populațiilor extrase, deoarece consangvinizarea a eliminat efectele de dominanță. Cu toate acestea, modelele largi ale variației genetice observate în acest model estimează aditivul și un subset de efecte epistatice prezente la populațiile extrase.

Tratamente dietetice:

Larvele au fost crescute de la primele instări timpurii până la sfârșitul celui de-al treilea stadiu (pentru măsurarea lipidelor și a hemolimfei carbohidraților) și pupe mature pentru măsurarea greutății și supraviețuirii la o densitate de 50 pe flacon în dieta lor de tratament respectivă. Seturi de cinci flacoane au fost începute în același timp pentru fiecare tratament (linie genetică și dietă) și replicate, din care au fost utilizate trei flacoane pentru fenotipurile larvare și două pentru fenotipurile pupale.

Măsurători fenotipice:

Pentru măsurătorile fenotipice larvelor, larvele din stadiul al treilea reunite din trei flacoane identice din punct de vedere experimental au fost postite timp de 6 ore înainte de a fi înghețate pentru testarea glucidelor trigliceride și hemolimfice (în trei replici independente pe tratament pentru fiecare fenotip). Conținutul total de trigliceride a fost determinat pe omogenate de șase larve selectate aleatoriu utilizând trusa de determinare a trigliceridelor Sigma și un spectrofotometru cu 96 de godeuri (C lark și K eith 1988; D e L uca și colab. 2005). Insectele folosesc zahărul trehaloză, care circulă în hemolimfă, ca moleculă primară pentru stocarea și furnizarea de energie potențială țesuturilor (W yatt 1961). Trehaloza este o dizaharidă care se descompune cu ușurință în două glucoze de trehalază pentru a face glucoza disponibilă pentru glicoliză (N acțiunea 2002). Concentrația de carbohidrați de hemolimfă a fost determinată pe hemolimfă combinată din mai mult de 20 de larve pe probă, colectată prin tub capilar și apoi tratată cu trehalază, iar concentrația de glucoză rezultată a fost determinată de trusa de determinare a glucozei Sigma și de un spectrofotometru cu 96 de godeuri (R ulifson și colab.) . 2002).

Greutatea umedă pupală este destul de constantă pe tot parcursul stadiului pupal (C hurch și R obertson 1966) și este greutatea larvei de a treia etapă, care și-a purificat conținutul intestinal (A shburner și colab. 2005). Este un indicator fiabil al greutății corporale acumulate în timpul dezvoltării larvelor înainte de factorii de confuzie ai hrănirii și reproducerii adulților. Greutățile umede ale puilor au fost determinate individual pentru până la 15 curate și mature (în decurs de 12 ore de la ecluzie, când pieptenii sexuali pot fi observați cu ușurință) pupe masculine pe flacon pentru fiecare dintre cele două flacoane pe tratament și replică, utilizând o balanță Mettler Toledo XS105. Supraviețuirea larvelor a fost calculată ca proporție a primelor 50 de larve inițiale inițiale pe flacon pentru a atinge pupația, în timp ce supraviețuirea pupală a fost proporția pupelor care au atins maturitatea în fiecare flacon. Supraviețuirea până la pupație s-a dovedit a fi o funcție a calității dietei și nu depinde strict de greutatea larvelor (de M oed și colab. 1999). Timpul de dezvoltare a fost calculat ca timpul de la larvele din primul moment până la prima pupă matură și a fost măsurat doar în replică de primăvară. Comportamentul de hrănire a larvelor, capturat aici ca „lungimea drumului”, a fost măsurat pe un subgrup de 22 de linii pe măsură ce distanța parcursă de o larvă de la jumătatea treilea instar pe o pastă de drojdie în 5 minute cu 20 de larve pe tulpină replicată în 5 zile consecutive (O sborne și colab., 1997).

Toate liniile parentale au fost crescute pe baza dietei normale. Liniile parentale și fiolele experimentale au fost menținute pe un ciclu de lumină: întuneric de 12 ore: 12 ore la 25 °. Măsurătorile au fost obținute pentru toate cele 146 de linii într-un design aleatoriu al blocurilor, distribuite pe o perioadă de 6 luni în aprilie până în septembrie 2007, în care în fiecare săptămână am stabilit blocuri de 7 până la 12 linii care au fost testate pe toate cele patru diete, cu cinci replici flacoane pe tratament. Treizeci de linii din toate cele patru diete au fost reproduse în același conac (blocat aleatoriu în săptămâni) în primăvara următoare. Variația fenotipică s-a corelat cu umiditatea externă, așa că am controlat variația mediului extern prin includerea punctului de rouă ca covariabil folosind măsurători proxy din local date despre stațiile meteo de la Aeroportul Internațional Raleigh-Durham (KRDU, 35–54N 78–46W 130M). Toate seturile de date sunt disponibile în fișierul S1.

Analiza datelor:

Semnificația în titrarea zahărului și în experimentele de geometrie nutrițională a fost determinată folosind testul F pentru efecte fixe în Proc Mixed în software SAS/STAT. Pentru experimentul de titrare a zahărului, modelul a fost pentru datele obținute din a cincea pupă din linia a XI-a (L), al doilea tip de zahăr (ST) și sth procent de zahăr (PS), în acest caz modelând toți factorii ca efecte fixe, deoarece au fost alese în mod deliberat pentru a reprezenta linii sau tratamente specifice. Pentru analiza geometriei nutriționale, s-a adăugat un termen suplimentar reprezentând nivelul al treilea procent de grăsime (PF).

Perechile corelațiilor trăsăturilor fenotipice au fost calculate în JMP, versiunea 7 pe baza mijloacelor de trăsătură pentru fiecare linie din fiecare dietă grupate pe săptămână replicată. Variația crescută datorată dietei a fost testată folosind JMP, versiunea 7 și testul Levene pentru varianța inegală, aplicat pe diete pentru varianța între linii (varianța genetică), în timp ce varianța mediului în interior a fost calculată ca varianță în linie a reziduurilor după contabilizarea efectului principal al liniei (R. W olfinger, comunicare personală). Corelația genetică între perechi de diete, care este contribuția la corelația fenotipică totală între diete, care este atribuibilă numai geneticii, a fost calculată utilizând SAS Proc Mixed în software-ul SAS/STAT prin specificarea liniei genetice ca subiect pentru a estima varianța genetică și covarianța pentru fiecare pereche de diete pentru fiecare trăsătură, în timp ce dieta a fost modelată ca efect aleatoriu (Olanda 2006). Corelația genetică a fost calculată ca, unde CovGvw este covarianța genetică între dietele v și w, iar VGv și VGw sunt variațiile genetice pe fiecare dietă, respectiv.

REZULTATE

Surse de variație fenotipică:

Variație genetică. Axa X indică liniile isofemale consangvinizate individuale ordonate în funcție de media crescută a trăsăturii. Barele de eroare indică o eroare standard. În A - E, * indică tulpina de laborator Oregon R, în timp ce în A, D și E, # indică tulpina de laborator Canton S. (A) Variație genetică semnificativă pentru greutate. (B) Variație genetică semnificativă pentru conținutul de lipide. (C) Variație genetică semnificativă pentru concentrația de carbohidrați hemolimfă pe datele transformate în log. (D) Variație genetică semnificativă pentru supraviețuirea larvelor. (E) Variație genetică semnificativă pentru supraviețuirea pupilor. (F) Variație genetică semnificativă pentru comportamentul de hrănire. R indică linia de control „rover” și S indică linia „sitter” de control.

Proporția de varianță explicată pe trăsături pentru măsurători individuale de eșantion

Efectele dietei au avut o contribuție mai puțin substanțială la varianță, explicând doar între 1 și 8% din varianța fenotipică totală, cu excepția supraviețuirii pupale, unde dieta a explicat 47% din variația totală (Tabelul 1, Figura S1). În ciuda varianței scăzute datorate dietei, au existat unele modele contraintuitive, în special greutatea pupală crescută în dieta restricționată în calorii în raport cu dieta normală (Figura S1). Un astfel de model ar putea implica faptul că larvele își modulează aportul de alimente pentru a compensa caloriile restrânse sau că există o diferență fundamentală în răspunsul fiziologic la tipul de zahăr din normal (zaharoză) vs. dieta cu restricții calorice (glucoză).

Cea mai interesantă constatare a varianței a fost că efectul de interacțiune al genotipului după dietă a fost mult mai mare decât efectul dietei numai pentru greutate, stocarea trigliceridelor și concentrația de carbohidrați hemolimfă, explicând între 12 și 17% din varianța fenotipică, după cum a demonstrat traversarea extinsă a mijloacelor de linie (Figura 2, Tabelul 1). Supraviețuirea pupală a arătat, de asemenea, o proporție ridicată a varianței genotipului după dietă (20%), deși nu a fost mai mare decât varianța datorată dietei (47%). Prezența unor termeni de interacțiune semnificativi compromite singură interpretarea principalelor efecte. În aceste cazuri, efectul genotipului poate fi diferit pentru fiecare nivel al dietei. Aceste rezultate indică faptul că dieta de sine stătătoare este doar un factor secundar minor la majoritatea fenotipurilor metabolice, dar că cea mai mare parte a variației fenotipurilor metabolice este determinată de genetică și de interacțiunea genetică cu dieta (Figura 3).

Partiție de varianță. „Săptămâna” indică efectul săptămânii blocate. Rețineți că, pentru multe trăsături, efectele de interacțiune genetică și genetică după dietă explică mult mai mult varianța decât dieta singură. (A) Partiție de variație pentru greutate. (B) Partiție de variație pentru conținutul de lipide. (C) Partiție de variație pentru concentrația hemolimfei de carbohidrați. (D) Repartiția variației pentru supraviețuirea larvelor. (E) Varianta de partiție pentru supraviețuirea pupilor.

De asemenea, am măsurat efectele comportamentului de hrănire a larvelor (O sborne și colab. 1997) asupra acestor fenotipuri metabolice și am constatat că 8,5% din variația fenotipică a greutății și a conținutului de trigliceride pe o dietă normală este asociată cu un comportament larvar înnăscut. În ciuda tuturor liniilor care au un fenotip „asemănător”, comportamentul larva de furajare în aceste linii prezintă variații genetice semnificative, 10,7% din variația fenotipică totală (P = 0,0004), arătând că comportamentul de hrănire este o trăsătură poligenică cantitativă pe lângă faptul că are o factor mendelian puternic în populațiile naturale (D ebelle și S okolowski 1987). Efectele punctului de rouă au fost, de asemenea, substanțiale, explicând până la 6% din varianța fenotipică a fiecărei trăsături (Tabelul 1).

Heritabilități și corelații:

Heritabilitatea estimată a fost moderată pentru toate trăsăturile și a variat de la 0,053 la 0,261 (Tabelul 2), ceea ce este în concordanță cu cele mai multe estimări ale trăsăturilor morfometrice, comportamentale și ale istoriei vieții în alte populații naturale (M ousseau și R off 1987; L ynch și W alsh 1998; K ruuk și colab. 2000). Coeficienții variației genetice (CVA), totuși, au susținut că sunt un predictor mai bun al potențialului unei trăsături de a evolua (H oule 1992), sunt mai interesanți. Pentru majoritatea trăsăturilor, valorile se situează în intervalul 3,8-25,7%, în concordanță cu CVA observat în mod obișnuit în alte studii privind Drosophila (H oule 1992), dar pentru trăsătura concentrației hemolimfei carbohidraților valoarea este neobișnuit de mare la 101,8% 2). Un coeficient ridicat de variație genetică implică faptul că trăsătura nu se confruntă cu o selecție eficientă pentru a reduce variația genetică în sălbăticie. Motivele posibile pentru o selecție ineficientă sunt că selecția asupra trăsăturii este relativ slabă și/sau varianța de mediu în trăsătură este relativ mare. În cazul concentrației hemolimfei, coeficientul de variație reziduală (CVR) a fost, de asemenea, mare (Tabelul 2), astfel speculăm că carbohidrații hemolimfici au o variație de mediu intrinsec ridicată și că reglarea genetică a acestuia evoluează sub stabilizarea selecției către o ereditate care este activată la egalitate cu celelalte trăsături metabolice.

Variația (de mediu) și între linie (genetică), ereditatea și coeficientul de variație genetică pentru trăsăturile fenotipice pe o dietă normală bazată pe un model de linie consangvinizată

În toate dietele și genotipurile, greutatea a fost corelată negativ cu concentrația de carbohidrați hemolimfici și supraviețuirea larvelor, dar greutatea a fost corelată pozitiv cu supraviețuirea pupalei și lungimea căii de hrănire (Tabelul 3, corelațiile trăsăturilor după dietă sunt disponibile în Tabelul S2). Conținutul total de trigliceride a fost corelat negativ cu ambele măsuri de supraviețuire, indicând faptul că caracteristicile de mediu sau genetice care măresc depozitarea grăsimilor vor avea un efect dăunător asupra fitnessului juvenil și adult. Supraviețuirea larvelor și pupalei au fost corelate pozitiv între ele. Corelația pozitivă dintre greutate și supraviețuirea pupelor este în concordanță cu corelația pozitivă bine documentată dintre greutate și fitness, observată în alte studii asupra insectelor (H onek 1993). Lipsa corelației dintre greutate și conținutul de trigliceride este în concordanță cu constatările anterioare (W ang și colab. 2005).

Corelații perechi între trăsăturile fenotipice din toate dietele

Corelația pozitivă dintre greutate și lungimea căii de hrănire a larvelor este poate contraintuitivă, dar poate indica o sănătate fiziologică generală care să permită niveluri mai mari de activitate și o achiziție mai eficientă a resurselor ca larve, permițând creșterea în greutate sănătoasă. Comparativ cu cei care stau la dispoziție, s-a demonstrat că roverii mănâncă mai puțin, dar absorb mai eficient caloriile și, de asemenea, tind să păstreze mai mult din aportul lor de calorii sub formă de lipide decât carbohidrați în condiții alimentare abundente (K aun et al. 2007, 2008). Descoperirea unei corelații pozitive nesemnificative între lungimea căii și conținutul de lipide este în concordanță cu modelele observate anterior de rover-uri și stătători contrastanți. Aceste rezultate, luate împreună, sugerează că nu există o relație simplă între comportamentul de hrănire, greutatea corporală și fitness.

Titrarea zahărului și geometria nutrițională:

Geometria nutrițională este cartarea empirică a răspunsului fiziologic al unui organism pe două sau mai multe dimensiuni ale variației nutriționale (L ee et al. 2008). Acești autori au descoperit că durata de viață și fecunditatea într-un singur genotip al muștelor sunt optimizate la diferite concentrații relative de proteine ​​și carbohidrați. Având în vedere efectele mari genotip-dietă pe care le-am observat în ceea ce privește greutatea pe cele 146 de linii ale noastre din cele patru diete experimentale, ne-a interesat dacă aceste efecte ar putea fi mapate la anumite tipuri de zahăr sau concentrații de zahăr și grăsimi.

Titrarea zahărului. Măsurat pe șase genotipuri diferite și 12 concentrații simple de zahăr între 0 și 20%, a existat un efect de interacțiune semnificativ între genotip, tipul de zahăr (zaharoză, glucoză și fructoză) și concentrația zahărului (P arbrick -S mith et al. 2006) . Cu toate acestea, rețineți, de asemenea, că tulpinile canonice de laborator (Oregon R și Canton S, Figurile 1 și 2) au avut tendința de a avea greutăți relativ ridicate și supraviețuire pupală și un conținut scăzut de trigliceride, concentrația de zahăr hemolimfă și supraviețuirea larvelor, ceea ce avertizează împotriva presupunerii că metabolice reglarea la tulpinile de laborator standard este pe deplin reprezentativă pentru gama normală de fiziologii găsite în natură.