• Găsiți acest autor pe Google Scholar
  • Găsiți acest autor pe PubMed
  • Căutați acest autor pe acest site
  • Pentru corespondență: [email protected]

Editat de Michael Rosbash, Institutul Medical Howard Hughes, Universitatea Brandeis, Waltham, MA și aprobat pe 21 ianuarie 2015 (primit pentru examinare 14 februarie 2014)

metabolică

Semnificaţie

Înfometarea induce o serie de răspunsuri costisitoare comportamentale și metabolice pentru a maximiza posibilitatea de a găsi o nouă sursă de nutrienți. Prin urmare, este avantajos pentru un organism să treacă din starea de foame atunci când se întâlnește mâncare. De unde știe un animal când se găsește o sursă de hrană și este puțin probabil să se înfometeze? Această nouă lucrare abordează această întrebare fundamentală, care este esențială pentru a ne lărgi înțelegerea modului în care organismele interpretează informațiile din mediul lor pentru a promova schimbări în comportamente complexe și fiziologie. Descriem un mecanism interesant care combină informații atât din percepția senzorială, cât și din cea metabolică, în funcție de densitatea nutrienților din sursa de hrană.

Abstract

Pierderea somnului este un răspuns adaptativ la lipsa de nutrienți care modifică comportamentul pentru a maximiza șansele de a se hrăni înainte de moartea iminentă. Organismele trebuie să întrețină sisteme de detectare a calității sursei de hrană pentru a relua nivelurile sănătoase de somn atunci când stresul este atenuat. Am stabilit că percepția gustativă a dulceaței este atât necesară, cât și suficientă pentru a suprima pierderea somnului indusă de foamete atunci când animalele întâlnesc surse de hrană sărace în nutrienți. În plus, descoperim că blocarea neuronilor dopaminergici specifici fenocopieză absența stimulării gustative, sugerând un rol specific pentru acești neuroni în transducerea informațiilor gustative către centrele de somn din creier. În cele din urmă, arătăm că percepția gustativă este necesară pentru supraviețuire, în special într-un mediu cu nutrienți scăzuti. În general, aceste rezultate demonstrează un rol important pentru percepția gustativă atunci când disponibilitatea alimentelor din mediu se apropie de zero și ilustrează interacțiunea dintre percepția senzorială și metabolică a disponibilității nutrienților în reglarea stării comportamentale.

Înfometarea este o condiție de stres extrem de nutrienți care duce la moarte rapidă. La detectarea absenței surselor de nutrienți din mediul înconjurător, organismele folosesc strategii multiple pentru a ajusta alocarea resurselor pentru a maximiza șansele de a găsi o sursă de hrană, inclusiv inducerea unor căutări mai lungi de hrănire (1) și limitarea comportamentului de somn (2, 3). Pierderea somnului la Drosophila melanogaster este un răspuns caracteristic la privarea de nutrienți care apare la aproximativ 12 ore după îndepărtarea unei surse de hrană; la bărbați, este urmată de moarte în alte 12 ore (2). Se crede că pierderea somnului reprezintă un cost pentru organism (4 ⇓ –6), iar mecanismele de evaluare a mediului și de terminare a acestui răspuns comportamental atunci când sunt disponibile alimente ar conferi probabil un beneficiu adaptativ. O înțelegere mai profundă a modului în care organismele percepute și cum răspund la stresul din mediu ar putea oferi beneficii substanțiale oamenilor care încearcă să mențină sănătatea maximă în fața penuriei de alimente și a condițiilor de mediu instabile. Strategiile utilizate de organisme pentru a evalua suficiența unei surse de hrană și pentru a iniția sau a suprima pierderea somnului în condiții nutritive foarte scăzute rămân în mare parte necunoscute și reprezintă o cale către înțelegerea răspunsului global la stres.

Rezultate

Comportamentul de somn este reglementat de disponibilitatea nutrienților. (A) Exemplu de urmărire video a poziției mustei (masculin Canton S) în timp pe un aliment complet (10% zahăr: drojdie, SY10) sau după înfometare de 20 de ore. Axa y reprezintă poziția de zbor într-un tub care se sprijină orizontal cu o cameră video deasupra. (B) Comportamentul de somn (pubele de 30 de minute) în ziua 1 pe alimentele SY10 urmate de ziua 2 pe mediul de testare indicat. (C) Supraviețuirea cu mediu de foame sau cantitatea indicată de d-glucoză. Toate punctele cu bare de eroare reprezintă media ± SEM de la 30 la 100 de zboruri.

O interpretare alternativă a datelor prezentate până în prezent este că pierderea somnului nu este reglementată în sine, ci apare în timp ce muștele se apropie de moarte - în orice moment dat, o proporție mai mare de muște în medii cu nutrienți scăzuți va fi aproape de moarte decât mai bine - hrăniți frați. Datele de la muște care poartă mutația rGr64 infirmă în mod eficient această ipoteză. În prima zi de hrănire cu 50 mM d-glucoză, muștele 64Gr64 prezintă pierderi de somn aproape identice cu nivelurile observate folosind muște înfometate (fie ΔGr64, fie martor; Fig. 2B). Cu toate acestea, fracțiunea fiecărei populații despre care se preconizează că este aproape de moarte este foarte diferită; 100% din populația înfometată va muri în următoarele 24 de ore, în timp ce mai puțin de 5% din mutanții hrăniți cu 50 mM vor face acest lucru (vezi și Fig. 5). Mai mult, dacă pierderea somnului a fost puternic cuplată cu moartea, ne-am aștepta să observăm debutul acesteia mult mai târziu la animalele mutante 64Gr64 pe 50 mM d-glucoză, comparativ cu martorii înfometați, ceea ce nu se întâmplă (Fig. 2B). Prin urmare, pierderea susținută a somnului la muștele mutante 64G64 este în concordanță cu un model în care animalele reglează somnul pe baza percepției asupra hranei.

Profilul de răspuns la somn anormal observat la mutanții 64G64 poate fi recapitulat la animalele WT (Canton S) folosind surse de nutrienți alternativi care oferă nutriție fără a stimula sensilla gustativă (sorbitol și manoză) (11 ⇓ –13, 19). Am constatat că furnizarea nutriției cu carbohidrați fără dulceață în mediul de hrănire a dus la un profil de răspuns care a fenocopiat în mare măsură răspunsul de somn dependent de concentrație al mutantului gustativ, cu pierderea somnului „înfometată” la concentrații scăzute de nutrienți din mediu față de grupurile martor expuse la d-glucoză (Fig. 2F și Tabelul S1). Acest defect a fost complet salvat prin adăugarea unui îndulcitor nonnutritiv (arabinoză sau l-glucoză) (11 ⇓ –13) la mediul de hrănire în combinație cu manoză sau sorbitol (Fig. 2F, Fig. S1C și Tabelul S1). La fel ca înainte, aceste rezultate nu au fost determinate de diferențele de absorbție a alimentelor; am confirmat prezența colorantului albastru în abdomenul muștelor expuse la toate concentrațiile de manoză și sorbitol (Fig. S1D). Aceste rezultate susțin în continuare noțiunea că este necesară percepția gustativă apetisantă pentru a promova un comportament normal de somn, în special atunci când disponibilitatea nutrienților din mediu este scăzută.

După ce am stabilit că percepția gustativă este necesară pentru a promova un comportament normal de somn în prezența substanțelor nutritive, ne-am întrebat dacă semnalele apetitive sunt suficiente pentru a preveni pierderea somnului indusă de foamete. Pentru a simula gustul dulce în absența nutrienților, am exprimat canalul ionic activat sensibil la temperatură TRPA1 (20) sub controlul driverului Gr5a-GAL4, care este exprimat în general în neuronii cu sensibilitate dulce (21). Am constatat că această manipulare a eliminat pierderea somnului indusă de înfometare (Fig. 3A) atunci când neuronii sunt activați (29 ° C), dar nu în condiții de control, neactivante (23 ° C). Activarea neuronală numai în timpul zilei, când muștele se hrănesc cel mai activ, a recapitulat inversarea pierderii de somn observate atunci când aceiași neuroni au fost activați continuu în timpul celor 48 de ore de înfometare (Fig. S2). Am testat, de asemenea, două zaharuri dulci, dar non-nutriționale, arabinoza și l-glucoza, și ambele au suprimat semnificativ pierderea somnului (81% și respectiv 60%; Fig. 3B, Fig. S3 A ​​- D și Tabelul S1). Pe de altă parte, sarea (NaCI, 100 mM) nu a avut niciun efect semnificativ (19%; Fig. 3B și Fig. S3 A ​​și B). Concluzionăm că percepția gustativă a dulceaței este suficientă pentru a promova somnul normal în absența nutrienților disponibili, chiar și atunci când moartea este iminentă (Fig. S3D).

Observăm că constatările noastre, care indică o relație puternică între percepția gustativă și pierderea somnului indusă de foamete, diferă de un raport anterior care demonstrează că un îndulcitor nonnutritiv, sucraloza, nu a reușit să suprime pierderea somnului (2). Am confirmat această observație prealabilă. Cu toate acestea, deși am observat că sucraloza era apetisantă pentru controlul muștelor, a fost, de asemenea, aversivă față de animalele mutante ΔGr64 (Fig. S3G). Calea de semnalizare mediată de receptor pentru sucraloză nu este descrisă pe deplin în Drosophila și aceste date sugerează că sucraloza poate activa atât neuronii cu sensibilitate dulce, cât și cei amari, făcându-l un stimul mai complicat decât se apreciază în prezent. Pe baza modelului nostru, un compus atât cu proprietăți amare cât și dulci ar fi incapabil să atenueze pierderea somnului indusă de foamete.

În cele din urmă, am întrebat dacă lipsa percepției gustative apetisante și dereglarea somnului asociată au consecințe mai largi asupra sănătății organismului. Mutanții 64Gr64 nu sunt afectați în supraviețuirea lor sub foamete (Fig. 5A și Tabelul S2), iar durata lor de viață nu este afectată negativ de privarea de somn folosind paradigma oaspete-gazdă, care este un model pentru stresul somnului în care împerecherea unui bărbat și femeia din același tub de activitate reduce semnificativ somnul la ambele animale (30) și, în cele din urmă, duce la moarte (Fig. 5B și Tabelul S2). Astfel, concluzionăm că animalele 64Gr64 nu sunt bolnave sau, în general, sunt sensibile la stres.

Pierderea percepției gustative apetisante afectează supraviețuirea în medii cu nutrienți scăzuti. Supraviețuirea ca răspuns la foamete (A) sau stresul privării de somn din prezența unei „oaspeți” de sex feminin într-un tub de monitorizare a activității pe un aliment complet SY10 (B) nu este afectată de ștergerea 64Gr64. Supraviețuirea la 50 mM (C) dar nu la 550 mM (D) d-glucoză este afectată de deleția rGr64 în raport cu controlul fructozei. Numărul de muște, supraviețuirea mediană și valorile P sunt în Tabelul S2.

Modelul nostru prezice că consecințele negative ale pierderii sensibilității la gustul dulce ar fi cele mai substanțiale în condiții de disponibilitate redusă a nutrienților. În concordanță cu aceasta, vedem că mutanții 64G64 au o durată scurtă de viață în dieta la care au un gust orb (d-glucoză) în raport cu fructoza atunci când concentrația de nutrienți este de 50 mM (diferență de 69% în durata medie de viață; Fig. 5C și Tabelul C2). Nu există nicio diferență semnificativă între fructoză și d-glucoză, fie pentru controlul rGr64/+ (1% diferență de durată de viață; Fig. 5C și Tabelul S2), fie pentru liniile de salvare genomică (2, Gr5a-Gal4, Gr66a-Gal4 și UAS- Muștele Kir 2.1 au fost daruri amabile de la A. Dahanukar, Universitatea din California, Riverside, CA (19); K. Scott, Universitatea din California, Berkeley, CA (21); J. Carlson, Universitatea Yale, New Haven, CT (22) ) și R. Baines, The University of Manchester, Manchester, UK (33), respectiv. Liniile de subseturi TH-Gal4 (C1-G1) au fost un cadou amabil de la M. Wu (29). tubGAL80 ts (7017), UAS -tntG (28838) și TH-Gal4 (8848) provin de la Bloomington Stock Center, iar liniile UAS și Gal4 au fost încrucișate cu șase generații în fundalul w 1118. Toate celelalte experimente au folosit tulpina de control Canton-S.

Comportamentul de somn.

Comportamentul alimentar.

Mâncare albastră abdominală.

Muștele au fost transferate din mediu SY10 în flacoane conținând mediul de testare timp de 24 de ore și apoi transferate în mediu de testare conținând 0,5% albastru FD&C # 1 timp de 2 ore (35). Muștele individuale au fost înghețate și omogenizate în 40 uL de PBS + 0,01% Triton X-100 folosind un Qiagen TissueLyser. Lizatul a fost centrifugat la 2.250 × g timp de 20 de minute. Douăzeci de microlitri de supernatant rezultat au fost analizați la 630 nm folosind o placă cu 96 de godeuri cu jumătate de diametru folosind o curbă standard cu colorantul albastru. Un grup de control alimentat fără colorant albastru a fost rulat simultan pentru a determina absorbanța nespecifică de 630-nm, iar această valoare a fost scăzută din toate măsurătorile.

Frass albastru.

Grupuri de 15 muște au fost plasate pe mediu SY10 conținând 0,5% albastru FD&C # 1 timp de 24 de ore (ziua 1, ziua de bază) și apoi transferate în mediu de testare care conțin 0,5% albastru FD&C # 1 în flacoane de 28,5 × 95 mm (lățime standard) prevăzut cu un strat de folie de transparență pe suprafața interioară a flaconului. După 24 de ore, filmul de transparență a fost îndepărtat și imaginat pentru a determina numărul total de spoturi și aria fiecărui spot.

Interacțiuni alimentare.

Interacțiunile individuale cu alimentele au fost numărate folosind FLIC, un aparat nou care monitorizează continuu (de aproximativ 500 de ori/s) comportamentul de hrănire prin înregistrarea unui semnal electric pentru fiecare interacțiune pe care o zboară o face cu o sursă de hrană lichidă (pentru detalii, vezi ref. 18 ). Muștele au fost plasate individual în arene de măsurare FLIC timp de 6 ore cu tipul de hrană indicat, iar numărul total de secunde petrecute interacționând cu mâncarea a fost înregistrat.

Analiza video.

Am observat și înregistrat poziția muștelor în tuburile de monitorizare a activității de 5 mm așa cum s-a descris anterior (8). Pe scurt, am înregistrat filme la 1 cadru/s și am folosit un sistem software intern (DTrack) pentru a calcula poziția centroidului pentru fiecare zbura și am trasat poziția de-a lungul axei tubului în timp. Acest software este disponibil de la autori la cerere.

Supravieţuire.

Muștele au fost pregătite pentru experimentele de supraviețuire așa cum s-a descris anterior (31), cu o ușoară modificare. Muștele masculine au fost transferate în mediul de testare (1% agar cu sau fără carbohidratul indicat) între zilele 3 și 10 după ecluzie, iar timpul transferului este indicat ca timpul 0. Muștele au fost transferate în alimente noi de trei ori pe săptămână și supraviețuirea a fost înregistrată la fiecare 1-2 zile.

Mulțumiri

Mulțumim lui Zach Harvanek pentru rolul său în dezvoltarea aparatului FLIC și lui Tammy Chan pentru transgeneză. Această lucrare a fost susținută de finanțare de la Ellison Medical Foundation (SDP), National Institutes of Health (NIH) Grants K01AG031917 (la NJL) și R01AG030593 (la SDP), Institutul Național de Științe Medicale Generale Grant T32 GM007315 (la JR), National Institutul pentru îmbătrânire (NIA) Grant 5T32AG000114-29 (către JR) și un premiu pilot de la Universitatea din Michigan Geriatrics Center și Nathan Shock Center of Excellence în Biologia de bază a îmbătrânirii (la NJL). Această lucrare a folosit resursele nucleului de îmbătrânire Drosophila al Centrului de excelență Nathan Shock în biologia îmbătrânirii finanțat de Grantul NIA P30-AG-013283.

Note de subsol

  • ↵ 1 Cui trebuie să i se adreseze corespondența. E-mail: spletchumich.edu .