• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Record ORCID pentru Robert W. Williams
  • Pentru corespondență: [email protected]

Abstract

Introducere

Longevitatea se numără printre cele mai eterogene trăsături. Diferențele de durată a vieții sunt dependente de nenumărate interacțiuni complexe genă-mediu (GXE) (de Magalhães și colab., 2012; Kuningas și colab., 2008; McDaid și colab., 2017; Hook și colab., 2018). Desigur, nutriția are o influență profundă asupra sănătății și a duratei de viață (Fontana și Partridge, 2015). Comparativ cu o dietă ad libitum, restricția calorică și postul intermitent îmbunătățesc durata de viață și sănătatea (revizuite de Heilbronn și Ravussin, 2003; Liang și colab., 2018; Speakman și colab., 2016). Efectele dietelor restrânse și ale postului intermitent nu depind în totalitate de tiparele de aport caloric, dar depind de compoziția macro și a micronutrienților din dietă, de cantitatea de timp petrecut în diferite stări metabolice, de vârsta de debut, de sex și poate de cea mai importantă importanță pentru noi., diferențe în genotip (Vaughan și colab., 2018) și interacțiunile genă-dietă (Barrington și colab., 2018).

longevității

Șoarecele este un model excelent de mamifere pentru cercetări la interfața metabolismului și a îmbătrânirii, împărtășind majoritatea genelor care codifică proteinele cu oamenii (Pennacchio și Rubin, 2003), dar cu un ciclu de viață mult mai scurt, care permite studii de longevitate în medii controlate și sub diferite condiții experimentale și dietetice (Miller și colab., 2007), (Yuan și colab., 2011), (Strong și colab., 2013). Cu toate acestea, majoritatea studiilor de rozătoare nu încorporează nivelul de complexitate genetică care este tipic pentru populațiile umane (Saul și colab., 2019; Williams, 2006; Williams și Williams, 2017). Efectele variantelor ADN și ale perturbărilor dietetice, medicamentoase sau de mediu sunt de obicei studiate pe un singur genom - adesea C57BL/6. Această concentrare restrânsă compromite în mare măsură utilitatea translativă a descoperirilor. Pentru a aborda această problemă, ne bazăm pe familia numeroasă de tulpini BXD de șoareci care separă peste 6 milioane de variante (Peirce și colab., 2004), (Wang și colab., 2016). Colectiv, familia încorporează, de asemenea, un nivel impresionant de variație a fenotipurilor legate de îmbătrânire, metabolism și expresia genelor în ficat, mușchi, creier și multe alte țesuturi și tipuri de celule (Williams și colab., 2014), (Houtkooper și colab ., 2013), (Andreux și colab., 2012), (Houtkooper și colab., 2011), (Gelman și colab., 1988), (De Haan și Van Zant, 1999).

Studiile anterioare ale BXD (Gelman și colab., 1988; Lang și colab., 2010) demonstrează cel puțin două ori variații ale duratei de viață pe o dietă standard - de la aproximativ 12-15 luni pentru tulpinile cu cea mai scurtă durată până la 30 de luni pentru cea mai lungă tulpini trăite. În aceste studii, eritabilitățile convenționale ale duratei de viață sunt de până la 25-45%, dar ereditățile eficiente (h 2 RI) care reprezintă adâncimea eșantionării (n = 8 până la 12 replicate/genom) sunt de până la 80%, 1998; Hook și colab., 2018). Familia BXD este deosebit de potrivită pentru a studia interacțiunile GXE, deoarece cohorte diverse, dar perfect potrivite, pot fi tratate în paralel folosind diferite diete (Rikke și colab., 2010; Hall și colab., 2014; Andreux și colab., 2012, Williams și colab. ., 2016; Wu și colab., 2014). Efectul variației genetice a fost bine studiat în contextul compoziției dietetice și al restricției calorice asupra duratei de viață (Finkel, 2015; Keipert și colab., 2011; Skorupa și colab., 2008). Cu toate acestea, rezultatele cheie rămân controversate. În timp ce restricția calorică este, fără îndoială, avantajoasă în creșterea longevității în medie, există dovezi bune că astfel de efecte nu sunt universale și că anumiți indivizi și genomi nu beneficiază în toate mediile (Barrington și colab., 2018; Liao și colab., 2010; Mitchell și colab., 2016; Rikke și colab., 2010).

În acest studiu, am măsurat longevitatea și greutatea corporală într-o cohortă mare de tulpini complet secvențiate și foarte diverse de șoareci care fac parte din familia BXD (Pierce și colab., 2004; Ashbrook și colab., 2019). Am studiat femelele într-un mediu bine controlat pe două diete care diferă foarte mult în ceea ce privește conținutul de grăsimi - cele care urmează o dietă standard cu un conținut scăzut de grăsimi (18% din caloriile din grăsimi) și cele pe o dietă bogată în grăsimi (60% cal din grăsimi) . Din câte știm, acesta este cel mai mare experiment GXE asupra efectelor unei grăsimi ridicate asupra longevității și a modificărilor de greutate și include date potrivite pentru 1348 de cazuri și 76 de genotipuri BXD.

Ne adresăm următoarelor întrebări:

Care este impactul mediu al unei diete foarte bogate în grăsimi, altfel bine echilibrată pentru conținutul de proteine, asupra longevității în întreaga familie?

În ce măsură genometrul tulpinii modulează efectele dietei bogate în grăsimi în raport cu dieta standard cu conținut scăzut de grăsimi? Altfel spus: Care este forța dovezilor în favoarea efectelor GXE asupra longevității?

Greutatea corporală inițială la vârsta adultă tânără (aproximativ 120 de zile) prezice longevitatea sau modificarea greutății corporale ca răspuns la o dietă cronică bogată în grăsimi este un predictor mai puternic al longevității?

În ce măsură creșterea în greutate este legată în sine de o reducere a longevității și cum variază creșterea în greutate între tulpini?

Dieta în sine modulează longevitatea după controlul creșterii în greutate în întreaga familie sau în tulpină?

Metode

Animale și diete

Animalele au fost crescute și adăpostite într-o instalație specifică fără patogeni (SPF) la UTHSC (Memphis, TN), la temperatura de 20-24 ° C pe un ciclu de lumină de 12 ore. În cursul studiului nostru, probele de ser de la șoareci santinelă au fost testate trimestrial pentru următorii agenți patogeni - virusul Ectromelia, diareea epizootică a șoarecilor sugari (EDIM), coromiaringita limfocitară (LCM), Mycoplasma pulmonis, virusul hepatitei șoarecelui (MHV), Norovirus murin (MNV), Parvovirus șoarece (MPV), Virus minut de șoareci (MVM), Virus pneumonie de șoareci (PVM), Virus respirator enteric III (REO3), Sendai și Encefalomielita murină a lui Theiler (TMEV GDVII). Au fost efectuate necropsii semestriale pentru a testa endoparaziții prin examinarea microscopică a conținutului intestinal și a preparatelor de bandă anală și a ectoparaziților prin examinare microscopică directă a pielii. Toate aceste teste au fost negative pe tot parcursul experimentului.

Acest studiu se concentrează asupra efectelor generale ale dietei asupra greutății și longevității în familia BXD, mai degrabă decât asupra controlului genetic al longevității sau greutății în sine. În unele aspecte, proiectarea studiului nostru seamănă mai degrabă cu o cohortă prospectivă de observație decât cu un experiment controlat pe animale - principalul motiv fiind că cazurile au fost introduse în colonia de îmbătrânire și pe membrele HFD ale studiului la diferite vârste. Din acest motiv, am folosit metode de analiză a datelor observaționale cu modificări minore.

Din octombrie 2011 până în decembrie 2018, animalele din ambele tulpini parentale, tulpinile C57BL/6J și DBA/2J și,76 BXD au fost urmate de la mutarea lor dintr-o colonie mare de reproducere în colonia de îmbătrânire (de obicei în jurul vârstei de 120 ± 66 de zile) dar cu o gamă largă, de la 26 de zile la 358 de zile) până la moartea lor. Toate animalele au fost inițial crescute de baraje în dieta chow. Femelele au fost îmbătrânite în grupuri de până la 10 în cuști din polipropilenă (935 cm 2) aprovizionate cu așternut moale Envigo Teklad 7087. Animalelor li s-a furnizat fie o dietă standard cu conținut scăzut de grăsimi (CD, Envigo Teklad Global 2018, 18,6% proteine, 18% calorii din grăsimi, 6,2% grăsimi (extracție cu eter), 3,1 kcal/g), fie un albastru cu conținut ridicat de grăsimi. dietă (HFD, Envigo Teklad TD06414, 18,4% proteine, 60,3% calorii din untură, 37% saturate, 47% monoinsaturate, 16% grăsimi polinesaturate, 5,1 kcal/g). Animalele aveau acces ad libitum la alimente și la apa de la robinet municipală provenită din acvifere.

Am studiat un total de 1348 de indivizi (n = 663 pe CD, n = 685 pe HFD). Animalele au fost etichetate folosind crotalii, iar indivizii au fost repartizați în mod aleatoriu la dieta chow sau bogată în grăsimi. Greutatea inițială a fost măsurată la intrarea în studiu. 77% (n = 527) dintre animale au început HFD la vârste cuprinse între 50-185 de zile, dar unele au început să urmeze dieta la vârste de până la 26 de zile sau până la 358 de zile. Mai puțin de 2% dintre animale (n = 12) au fost plasate pe HFD la o vârstă mai mare de 365 de zile, iar acestea nu au fost incluse în analiză. Mai puțin de 20% dintre animale erau crescători pensionari care au intrat în studiu la vârsta de peste 180 de zile. Fiecare animal a fost cântărit la cel mai apropiat 0,1 grame la fiecare două luni, de la începutul dietei până la moarte. O subpopulație separată de 662 de animale (n = 333 pe CD, n = 329 pe HFD) din tulpini BXD potrivite au fost sacrificate la anumite momente de timp (6, 12, 18 și 24 de luni) pentru colectarea țesuturilor în ambele diete cohorte (Williams EG și colab., în supunere). Datele privind greutatea organelor la vârsta de 18 luni de la aceste animale au fost incluse în analiza acestui studiu. Colonia îmbătrânită de la UTHSC este încă în funcțiune, dar pentru această analiză luăm în considerare doar animalele cu decese în perioada aprilie 2012 - noiembrie 2018.

Datele privind longevitatea din ambele cohorte din colonia noastră de îmbătrânire (scoruri separate, combinate și diferențe) sunt disponibile în GeneNetwork.org (GN) sub „Familia RX BXD” din setul de date „Fenotipuri publicate BXD” (trăsături GN 18435, 18441, 19451, 19452, 21302, 21450). Datele privind greutatea corporală la vârsta de 6, 12, 18 și 24 de luni pentru ambele diete sunt, de asemenea, documentate în GN (trăsăturile 19126, 19130, 19131, 19167, 19168, 19169, 19170 și 19171). Datele privind greutatea organelor pentru ambele diete, inclusiv ficatul, inima, rinichii și creierul, la vârsta de 18 luni, pot fi găsite și în GN (trăsături 20156, 20157, 20158, 20159, 20353, 20354, 20148, 20149, 20150, 20151, 20146, 20147).

Colonia a fost mutată într-un nou vivariu (TSRB) în aprilie 2016. Aproximativ 60% dintre animale au trăit și au murit în vivariul anex original Nash, aproximativ 35% s-au născut în Nash, dar au trăit în ambele vivarii și ∼5% au fost s-au născut și și-au petrecut întreaga viață în noua facilitate. Am evaluat cu atenție datele despre naștere și deces pe toate anotimpurile, atât din vivaria, cât și pentru a exclude cu succes orice efect specific sezonier sau sezonier asupra longevității (sunt disponibile date suplimentare). Animalele au fost inspectate zilnic și au fost înregistrate decese pentru fiecare animal cu o precizie de o zi. Animalele moribunde (~ 10%) au fost eutanasiate, iar cele cu vârsta peste 200 de zile au fost incluse în calculele longevității. Criteriile pentru eutanasie s-au bazat pe o evaluare efectuată de personalul nostru veterinar în conformitate cu liniile directoare AAALAC.

Majoritatea animalelor au fost fixate prin imersiune în 10% formalină tamponată neutră în 24 de ore după moarte. Cavitatea corpului a fost deschisă înainte de imersiune pentru a îmbunătăți conservarea țesuturilor. Au fost selectate cohorte echilibrate din dietă pe baza calității fixării pentru necropsie cu histopatologie a țesuturilor. Un patolog veterinar certificat de bord (RWR) a efectuat necropsii și a judecat cauza probabilă a decesului și a altor morbidități.

Toate procedurile experimentale au fost în conformitate cu Orientările pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator publicate de Institutele Naționale de Sănătate și au fost aprobate de Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor UTHSC.

Statistici

Datele privind longevitatea și greutatea corporală au fost stratificate în funcție de dietă și de tulpină. Efectele diferitelor diete și greutatea corporală asupra longevității au fost analizate folosind un model de efecte aleatorii în R folosind pachetul de metaforă (Viechtbauer, 2010) și un model de risc proporțional cu efecte mixte Cox folosind pachetul de coxme R al lui Therneau 2.2.-10 -project.org/package = coxme) (Therneau și Grambsch, 2000). Analizele de supraviețuire au fost efectuate folosind pachetul de supraviețuire pentru R, iar datele au fost cenzurate de dreapta (vezi Fig 2, cazuri cenzurate CD n = 32, HFD n = 80). Curbele de supraviețuire au fost calculate prin ANOVA și analizele de regresie au fost efectuate folosind R. Rezultatele au fost testate, de asemenea, folosind testul Wald, testul raportului de probabilitate și testul Wilcoxon.

(A) Seturi echilibrate de femele din 76 de tulpini BXD au fost alocate dietei cu conținut scăzut de grăsimi (CD) sau dietelor cu conținut ridicat de grăsimi (HFD) și au fost cântărite la fiecare două luni. (B) Dieta bogată în grăsimi modulează longevitatea. Atunci când sunt grupate în funcție de dietă - și indiferent de fondul genetic - durata medie de viață a cohortei CD depășește cu 77 de zile cea a cohortei HFD (a se vedea inserția din grafic). Punctele roșii și albastre reprezintă cazuri individuale pe CD și HFD.

(A) Influența dietei asupra longevității. Cazurile cu HFD prezintă un risc de două ori mai mare de deces comparativ cu cele de pe CD. (B) Curbele de pericol cumulativ după dietă nu se încrucișează, iar raportul de pericole de 2,0 este relativ constant pe tot parcursul studiului. (C) Durata de viață a C57BL/6J, dar nu a DBA/2J, este influențată de dietă. Numerele dintre paranteze reprezintă durata medie de viață în zile. (D) Longevitatea la o dietă bogată în grăsimi depinde puternic de tulpină. Punctele roșii reprezintă longevitatea cazurilor pe CD și punctele albastre ale celor pe HFD. Liniile reprezintă supraviețuirea mediană. Barele gri reprezintă diferența de supraviețuire mediană în diete. Cele câteva valori negative din stânga indică o supraviețuire mai mare pe un HFD. Tulpinile părintești și F1 sunt notate cu caractere cursive aldine. Asteriscurile din bare indică scoruri FDR semnificative la o valoare q de 0,1. Cazurile cenzurate în A– C sunt încă în viață și sunt marcate cu semne +.

Rezultate

Dieta bogată în grăsimi scurtează durata de viață, dar cu variații considerabile între tulpini

(A) Greutatea corporală după diete și vârstă. Asteriscurile denotă semnificație la p Vizualizați acest tabel:

  • Vizualizați în linie
  • Vizualizați fereastra pop-up
  • Descărcați PowerPoint

Discuţie

GXE și longevitate

Rezultatele noastre pot fi comparate cu variația tulpinii și efectele GXE ca răspuns la restricția dietetică. Restricția dietetică fără malnutriție este considerată ca având un beneficiu aproape universal asupra longevității (Mair și Dillin, 2008; Masoro, 2009; Weindruch și colab., 1986). O excepție este o pereche de studii privind impactul restricției moderat intense - o reducere cu 40% a aportului caloric - într-o familie numeroasă de tulpini LXS de șoareci (Liao și colab., 2010; Rikke și colab., 2010); până la 44 de tulpini cu 10-20 de replici pe tulpină). Cea mai notabilă constatare este variația remarcabil de mare în modificarea specifică tulpinei în longevitate ca răspuns la DR. Durata de viață este scurtată în unele tulpini LXS (maximum 671 zile pierdere), dar prelungită în altele (minim 300 de zile câștig; GeneNetwork LXS fenotip 10164). Atât lucrările Liao, cât și Rikke au generat controverse substanțiale (Mattson, 2010), care s-a reflectat într-o oarecare măsură în studiile potrivite ale primatelor neumane (Mattison și colab., 2017). Având în vedere un astfel de contrast al rezultatelor, ar merita extinderea analizei HFD la alte intervenții dietetice în familia BXD extinsă (Ashbrook și colab., 2019).

Dieta și morbiditatea

Morbiditățile majore și cauzele probabile de deces în rândul diferiților membri ai familiei BXD par a fi influențate de dietă. Cei cu HFD au o prevalență și o severitate crescute a bolilor cardiovasculare și a leziunilor. Cu toate acestea, efectele unei diete foarte bogate în grăsimi asupra incidenței bolilor cardiovasculare sunt destul de modeste la șoareci, spre deosebire de cea observată la cohortele umane (Menotti și Puddu, 2015; Sacks Frank M. și colab., 2017). Interesant este că incidența sarcoamelor și carcinoamelor este mai mare pe CD decât HFD. Studii prospective ample nu au reușit să detecteze asocieri puternice între grăsimea alimentară și riscul de cancer (Willett, 2000). Evaluarea rolului cauzal al obezității induse de dietă în etiologia mai multor boli cronice și a cancerului a fost dificilă din cauza corelațiilor cu numeroși factori de stil de viață și a prejudecăților confuzive rezultate. Epidemiologia umană folosește din ce în ce mai mult randomizarea mendeliană pentru a evalua asocierile cauzale posibile între factorii de risc și boli (Gao și colab., 2016). Experimentele bine controlate pe animale ar putea oferi în mod similar o înțelegere suplimentară a asociațiilor cauzale și a mecanismelor care stau la baza unor astfel de relații complexe.

GXE, Creșterea în greutate și asocierile cu longevitatea

La om, o creștere a IMC de la 27 la 42 kg/m2 crește raportul de risc de mortalitate pentru toate cauzele de 1,6 ori (Wade și colab., 2018). Vedem un efect și mai mare în familia BXD - dieta HFD crește greutatea de 1,8 ori și raportul de risc de mortalitate de 2 ori. Dar aceste rapoarte medii de pericol maschează modulația impresionantă prin diferențe genetice. În timp ce 45 din 57 de membri ai familiei câștigă o greutate semnificativă, ceilalți 12 câștigă doar o greutate modestă și nesemnificativă statistic. De exemplu, chiar și după 400 de zile pe HFD, BXD16 este cu doar 1,05 ori mai greu decât controlul, în timp ce BXD24 este cu 2,1 ori mai greu. În mod remarcabil, doar 10% din efectul dietei asupra longevității este mediat prin creșterea în greutate. HFD în sine exercită un efect direct mai puternic asupra longevității la femeile BXD decât creșterea în greutate în sine.

Directii viitoare

Diferențele impresionante GXE între familia BXD subliniază complexitatea interacțiunilor dintre dietă, creșterea în greutate și longevitate. Aceste efecte trebuie separate și explicate la niveluri genetice, epigenetice și mecaniciste - lucrări care sunt acum în desfășurare folosind aceleași tulpini și cohorte (Andreux și colab., 2012; Houtkooper și colab., 2013; Jha și colab., 2018a, 2018b; Sandoval-Sierra și colab., 2019; Williams și colab., 2016; Wu și colab., 2014). Diversitatea substanțială a rezultatelor în rândul membrilor strâns legați din familia BXD evidențiază faptul că observațiile variază între indivizi și în timp datorită naturii non-ergodice a biologiei (Nadeau și Auwerx, 2019). Prin urmare, mediile populației sau grupurilor vor ascunde efectele majore ale GXE. Nu se pot spune multe cu certitudine dintr-un singur genometru sau chiar dintr-un număr mic de tulpini diverse. În cazul nostru, detectarea interacțiunilor puternice GXE a necesitat date de la 10 șoareci fiecare din mai mult de 65 de tulpini în ambele condiții. Datele de acest tip pot constitui o bază pentru predicții specifice și pentru a proiecta un al doilea val de studii intervenționale pentru a extinde longevitatea și vigoarea (Miller și colab., 2007; Strong și colab., 2013). Atunci când sunt extrapolate la oameni, rezultatele noastre indică faptul că recomandările dietetice convenționale vor fi prea generalizate pentru a oferi îndrumări individuale eficiente. Subliniem că efectele genotipului și GXE sunt modulatori mult mai puternici ai longevității și creșterii în greutate decât efectele medii ale populației.

Contribuțiile autorului

Proiectarea inițială a proiectului: EGW, JI, JA, LL, RWW

Managementul coloniei de îmbătrânire: SR, JI, CJ, MM

Achiziție de țesut: SR, JI, CJ, MM, AC, KM, MM, WZ, JH, SM, LW, TS, CK, LL, RWW

Manipularea datelor: SR, MBS, PJ, EGW, AS, MH, AC, RWR, SS, RWW

Lucrare: SR, MBS, EGW, RAM, JA, RWW

Resurse web însoțitoare: AC, SR, RWW

Finanțarea

Această lucrare a fost susținută de subvenții de la NIH R01AG043930, Universitatea din Tennessee Center for Integrative and Translational Genomics, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, European Research Council (ERC-AdG-787702), Swiss National Science Foundation (SNSF 310030B- 160318) și programul AgingX al Inițiativei elvețiene pentru biologia sistemelor (RTD 2013/153). EGW a fost susținut de o bursă NIH F32 Ruth Kirchstein (F32GM119190). RWR a fost susținut de TriMetis Life Sciences, Memphis TN.

Interese concurente

Autorii declară că nu există interese concurente legate de această lucrare.

Mulțumiri

Mulțumim Dr. James F. Nelson pentru discuții utile cu privire la seturile de date privind restricțiile alimentare LXS.