Модель дрозофилы для изучения микробиоты кишечника в поведении и нейродегенеративных заболеваниях. Часть 1

Абстрактный:

Все больше данных указывает на то, что микробиота кишечника связана с несколькими физиологическими процессами и развитием заболеваний у млекопитающих; однако основные механизмы остались неизученными, в основном из-за сложности микробиома кишечника млекопитающих. Плодовая мушка Drosophila melanogaster является ценной животной моделью для изучения взаимодействия микробиоты кишечника хозяина в трансляционных аспектах.

Животные и память — очень интересная взаимосвязь. От преданности собак до интеллекта мышей, воспоминания животных уже давно являются предметом удивления и любопытства. Хотя животные различаются по тому, насколько хорошо они помнят, их память все же подтверждает вывод о том, что животные не только обладают сильным инстинктом самосохранения, но и способны учиться на собственном опыте, что позволяет предположить, что память важна.

Прежде всего, собаки и кошки — два наиболее подходящих домашних животных для содержания людей. Они все очень умные и имеют очень хорошую память. Они могут запоминать запах и звук владельца и окружающей среды, а также выражать эмоции посредством определенного поведения. Сила этой памяти отражается в способности собак и кошек находить потерянных хозяев. Даже если хозяин уже давно не ушел, пока есть места и запахи, которые можно идентифицировать, они будут продолжать поиски.

Во-вторых, мыши также относятся к числу животных с особенно высоким IQ. Память мышей намного лучше, чем предполагалось. Они могут помнить, куда они идут, где находится их еда и их территория, а также могут узнавать и запоминать людей или животных, которые представляли для них опасность. Эксперименты некоторых исследователей показали, что мыши также распознают окружающую среду и реагируют на нее посредством музыки и звуков, что показывает, что память животных включает в себя сенсорный, эмоциональный и логический интеллект.

Вообще память животных принесла людям немало сюрпризов и открытий. Они могут не только защитить себя, но также построить более тесные доверительные отношения и отношения с людьми. Кроме того, животные вдохновили на множество экспериментов и исследований, которые помогли ученым лучше понять природу и механизмы памяти. Итак, давайте восхищаться интеллектом и памятью животных и восхищаться их умным и гибким мозгом. Видно, что будь то человек или животное, память очень важна. Цистанхе может значительно улучшить нашу память, поскольку цистанхе — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность мясного фарша обусловлена ​​множеством содержащихся в нем активных ингредиентов, включая карбоновую кислоту, полисахариды, флавоноиды и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Кратковременная память», чтобы узнать, как ее улучшить.

Наличие мощных генетических инструментов и ресурсов у дрозофилы позволило ученым разгадать механизмы, с помощью которых кишечные микробы влияют на физическую форму, здоровье и поведение своих хозяев.

Модели дрозофилы в прошлом широко использовались не только для изучения поведения животных (например, ухаживания, агрессии, сна, обучения и памяти), но также и некоторых нейродегенеративных заболеваний человека (например, болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона). В этом обзоре всесторонне обобщаются современные представления о микробиоте кишечника дрозофилы и ее влиянии на поведение, физиологию и нейродегенеративные заболевания мух.
Ключевые слова:

дрозофила меланогастер; микробиота; ось кишечник-мозг; поведение; обучение и память; нейродегенеративные заболевания.

1. Введение
Плодовая мушка Drosophila melanogaster — важное экспериментальное животное, используемое в биомедицинских исследованиях. Плодовую мушку впервые использовали в качестве экспериментального организма Касл в 1901 году и Морган в 1909 году для генетических исследований. Поскольку дрозофила использовалась в качестве модельного организма более века, было разработано несколько методов для решения конкретных научных вопросов.

У дрозофилы относительно короткая продолжительность жизни и сложное поведение. Наличие мощных инструментов для генетических манипуляций с конкретными тканями или органами позволило ученым изучить молекулярные механизмы, регулирующие поведение дрозофилы, такие как адаптивные реакции на окружающую среду, а также врожденные (ухаживание, агрессия, сон и т. д.) [1 –3] и усвоенное поведение (обонятельная память и память ухаживания) [4–6].

За последние 20 лет дрозофила использовалась в качестве идеальной модели in vivo для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера (БА) и болезнь Паркинсона (БП) [7,8]. Выдающиеся сигнальные пути, регулирующие рост и функции нейронов у человека, сохраняются у дрозофилы, что позволяет использовать этот модельный организм для изучения нейродегенеративных заболеваний человека.

Например, модель БА у дрозофилы, разработанная путем эктопической экспрессии человеческого белка А 42 в мозге мух, демонстрирует клинические симптомы, связанные с пациентами с БА, такие как возрастные нарушения кратковременной памяти, дефекты обучения, повышенное бодрствование и нарушение сна [8]. ,9]. Это говорит о том, что дрозофилу можно использовать в качестве идеальной модели in vivo для скрининга новых препаратов для лечения БА.

Все больше данных подтверждают мнение о том, что хорошо сбалансированная кишечная микробиота необходима для здоровья человека [10,11]. Вмешательство в состав микробиоты кишечника может отрицательно повлиять на здоровье и физиологию хозяина, приводя к различным неврологическим заболеваниям, таким как поведенческие отклонения, нейродегенеративные заболевания и нервно-психические расстройства [12–14].

Исследования показали, что кишечные бактерии могут вырабатывать несколько нейротрансмиттеров, включая дофамин, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) и серотонин [15]. Более того, двунаправленные перекрестные помехи между кишечником и центральной нервной системой (ЦНС) опосредуются через микробиоту кишечника [16,17]. Недавние исследования показали, что изменения в составе микробиоты кишечника связаны с некоторыми неврологическими заболеваниями [18–20].

Однако подробный механизм того, как кишечные бактерии регулируют прогрессирование заболевания, влияя на связь по оси кишечник-мозг, требует дальнейшего изучения.

За последние 20 лет в большинстве исследований кишечной микробиоты использовались модели грызунов для изучения роли оси микробиота-кишечник-мозг. Однако универсальный организм, дрозофила, представляет собой мощную исследовательскую модель, которая позволяет ученым исследовать механизмы, с помощью которых кишечные микробы влияют на функции мозга (рис. 1a,b). Микробы могут быть генетически помечены флуоресцентным белком, что позволяет визуализировать их распределение в пищеварительном тракте дрозофилы (рис. 1в) [21,22].

Рисунок 1. Сравнение пищеварительного тракта человека и дрозофилы. (а) Пищеварительный тракт человека и дрозофилы. Функциональные отделы пищеварительного тракта у дрозофилы и человека схожи и включают пищевод, переднюю и заднюю часть средней кишки (тонкая кишка), толстую кишку (задняя кишка) и желудок (зоб). (б) Субрегионы пищеварительного тракта дрозофилы, изображающие переднюю, среднюю и заднюю кишку.

Передняя кишка содержит зоб и преджелудочек. Средняя кишка далее делится на регионы R1-R5. (c) Lactobacillus, меченные GFP, скармливали взрослой дрозофиле, и конфокальные изображения показывают распределение Lactobacillus (зеленый цвет) в различных областях пищеварительного тракта. Увеличенные изображения областей урожая, R2, R4 и R5 показаны на с1 по с4. Образец иммуноокрашивали антителом против интегрина-ПС (красный). Масштабная линейка, 500 мкм.

2. Врожденное поведение дрозофилы
Считается, что врожденное поведение заложено в мозгу животных и генетически закодировано, и для его правильного исполнения не требуется никакого предварительного опыта. Врожденное поведение хорошо адаптируется к внутреннему состоянию животных и внешней среде, что позволяет животным модифицировать свое поведение в соответствии с различными условиями окружающей среды [23].

Дрозофила является превосходной животной моделью для изучения молекулярных механизмов врожденного поведения человека, поскольку между мухами и людьми существуют некоторые сходства в поведенческих фенотипах. У дрозофилы были изучены различные врожденные формы поведения, такие как поведение при спаривании, агрессивное поведение, сон/двигательная активность и поведение, связанное с температурой [3,24–28].

Кроме того, геном дрозофилы примерно на 60% гомологичен геному человека, и примерно 75% генов, связанных с болезнями человека, также имеют гомологи у мух [29]. Например, в поведении сна передача сигналов дофамина регулирует бодрствование не только у дрозофилы, но и у человека [30]. Здесь мы представляем некоторые важные врожденные модели поведения дрозофилы и обсуждаем их связь с микробиотой кишечника (таблица 1).

2.1. Кишечная микробиота и брачное поведение

Брачное поведение самца дрозофилы включает в себя ряд этапов: продвижение к самке (ориентация), преследование самки (следование), прикосновение к брюшку самки (постукивание), одностороннее выдвижение крыльев и вибрацию (пение), облизывание гениталий самки, хватание вверх. на спину самки (попытка совокупления) и финальная копуляция [3,26]. Один самец мухи пытается спариться с одной девственной самкой, и показатель сексуального энтузиазма самца по отношению к самке называется индексом ухаживания (CI).

CI — время, затраченное самцом дрозофилы на ухаживание, деленное на общее время эксперимента. Хорошо известная нервная цепь, регулирующая брачное поведение, состоит из бесплодных (fru)-экспрессирующих нейронов. Нейроны, экспрессирующие плоды, включая первичные сенсорные афференты и центральные интернейроны, такие как нейроны кластера P1, которые запускают процесс ухаживания, могут образовывать основную часть мужской цепи ухаживания [50].

По крайней мере, в трех исследованиях сообщалось, что микробиота кишечника не влияет на ухаживание у дрозофилы [33,35,51]; однако следует отметить, что в каждом исследовании использовались разные мухи дикого типа и применялись разные методы для создания стерильных мух.

Вопреки этим исследованиям, Heys et al. показали, что кишечная микробиота противодействует стратегии аутбридинга самцов, изменяя передачу сексуальных сигналов самкам, что приводит к снижению передачи спермы от самцов мух [31]. Аутбридинг у дрозофилы увеличивает генетическое разнообразие потомства, усиливает иммунную защиту и может зависеть от микробиоты хозяина [31,52].

Предыдущее исследование показало, что через 1- и 3-день после спаривания характер экспрессии генов в тканях головы мух изменяется, что влияет на поведение мух, включая пищевое поведение, обмен веществ и яйценоскость (после -брачное поведение) [53]. Дельбаре и др. провели крупномасштабный анализ РНК-секвенирования девственных и спаренных аксенических/обычных мух и сообщили, что у спаренных самок транскрипты, участвующие в регуляции репродукции и нейрональных функциях, по-разному распространены в зависимости от микробиоты самок [32].

Более того, статус микробиоты самцов влиял на плодовитость как обычных, так и аксенических самок; однако это влияет на транскрипционные профили только у аксенических, но не у обычных самок.

2.2. Кишечная микробиота и агрессивное поведение

Агрессивное поведение, широко наблюдаемое в животном мире, имеет решающее значение для выживания и размножения [54]. У дрозофилы агрессивное поведение включает угрозу крылом, бокс, постукивание передней ногой, выпады и удары головой [2,33]. Цзя и др. описал протокол анализа агрессивного поведения мух.

В этом анализе двух самцов или самок мух (возрастом 5–7 дней) помещают в боевую камеру, которую затем быстро накрывают покровным стеклом размером 20 × 20 мм. Драка в течение 30 минут фиксируется на камеру. Агрессивное поведение анализируется путем подсчета количества выпадов у самцов и ударов головой у самок, а также оценки частоты выпадов/латентности боя. Частота выпадов определяется как количество выпадов в минуту после начала выпадов, тогда как латентность боя определяется как продолжительность между началом записи и первым выпадом [33].

Исследования показывают, что агрессивное поведение координируется со зрительными, обонятельными, вкусовыми, механосенсорными и слуховыми сигналами. Эти входные сигналы интегрируются в грибовидное тело мозга (MB), боковые рога и центральные комплексные области и, наконец, управляют двигательными выходами через мышцы крыльев и ног.

Исследования также показывают, что нейротрансмиттеры и нейропептиды, такие как октопамин, серотонин, дофамин, ацетилхолин и нейропептид F (NPF), также играют важную роль в агрессивном поведении [54].

Недавние исследования показали, что специфическая микробиота кишечника связана с агрессивностью у мух. Цзя и др. использовали гипохлорит натрия и серию протоколов промывки для создания аксенических мух [33].

По сравнению с обычными мухами (Canton-S) аксенические мухи проявляли менее агрессивное поведение между самцами, что указывает на то, что у стерильных мух снижена агрессия между самцами. Кроме того, комменсальные бактерии, такие как Acetobacter, Lactobacilli и Enterococci, способствуют агрессивному поведению аксенических мух за счет микробной повторной колонизации. Авторы также сообщили о снижении уровня октопамина на 73% у стерильных мух, а генетические манипуляции с активностью октопаминэргических нейронов восстановили агрессивное поведение у аксенических мух.

В том же исследовании также сообщалось о двух ключевых факторах, участвующих в регулировании агрессии посредством экспрессии октопамина. Одним из них был критический период развития на личиночной стадии (48–98 часов после откладки яиц), когда добавление богатой дрожжами диеты восстанавливало агрессивное поведение у аксенических мух. Другим фактором было питание, поскольку оно также важно для экспрессии октопамина, а обеспечение аксенических мух правильным питанием нормализовало агрессивное поведение.

Эти результаты показывают, что микробиота кишечника и питание в критический период развития влияют на экспрессию октопамина, который регулирует агрессию у взрослых самцов [33].
2.3. Микробиота кишечника, сон и двигательная активность
Система Drosophila Activity Monitor (DAM) используется для изучения сна и двигательного поведения мух [55]. В этом анализе мух помещают в условия цикла 12 часов света/12 часов темноты [56,57].

Аппарат DAM состоит из трех основных компонентов: (1) стеклянная трубка, в которой может свободно перемещаться одна муха, (2) инфракрасный луч, направляемый через середину стеклянной трубки, и (3) компьютер для записи поведенческих реакций. результаты [55]. В анализе сна/локомоторного поведения система DAM регистрирует перерывы в инфракрасном луче из-за того, что мухи ходят по стеклянным трубкам, чтобы обнаружить сон или движение [58].

Хорошо известная схема, связанная с поведением во сне в мозге дрозофилы, состоит из циркадных нейронов. Свет стимулирует группу крупных вентрально-латеральных нейронов (l-vLN), которые высвобождают факторы диспергирования пигмента (PDF), чтобы стимулировать группу мелких вентрально-латеральных нейронов (s-vLN). Наконец, s-vLN регулируют центр локомоторного контроля мозга, эллипсоидные тела, подавляя поведение во сне.

И l-vLN, и s-vLN экспрессируют ГАМК-рецепторы, которые могут ингибировать бодрствование через способствующие сну ГАМКергические нейроны. МБ также является важной областью мозга, которая регулирует сон посредством каталитической субъединицы протеинкиназы А, фермента, активируемого путем цАМФ, связанным со сном [59]. Двигательная активность важна для выживания дрозофилы и контролируется гормонами, которые также можно анализировать с помощью системы DAM. Кинг и др.

недавно сообщили о наличии пептидергической цепи, которая связывает циркадные часы с двигательной активностью. s-vLN высвобождают PDF, которые стимулируют часовые нейроны DN1, которые, в свою очередь, стимулируют DH44-положительные нейроны межмозговой части (PI). DH44-положительные PI-нейроны стимулируют гугин-положительные нейроны SEZ, которые, в конечном итоге, высвобождают нейропептид хугин в моторную цепь вентрального нервного канатика, который регулирует локомоторную активность у дрозофилы [60].

Влияние микробиоты кишечника на поведение дрозофилы во время сна остается неясным. Селькриг и др. использовали штамм D. melanogaster Canton-S, не содержащий изогенных Wolbachia, в качестве мух дикого типа и провели анализы сна и двигательного поведения. Авторы создали свободных от Wolbachia мух Canton-S, промыв яйца NaClO, и назвали первое поколение F1, а следующее поколение F2.

Их данные показали, что ни стерильные мухи F1, ни стерильные мухи F2 не демонстрируют каких-либо существенных изменений в поведении во время сна. Более того, даже несмотря на то, что незараженные мухи F1 не показали никаких изменений в двигательном поведении, незараженные мухи F2 продемонстрировали небольшое увеличение двигательной активности по сравнению с обычными мухами [35].

Другое исследование Silva et al. использовали Canton-S и W1118 в качестве мух дикого типа и использовали NaClO для промывания яиц мух в течение 3–5 минут для создания аксенических мух [61]. Их результаты показали, что по сравнению с обычными мухами аксенические мухи, как правило, спят дольше и демонстрируют снижение восстановления сна после лишения сна [34]. Однако состояние кишечной микробиоты мух мало влияло на циркадную ритмику двигательной активности.

Сильва и др. и Селькриг и др. сосредоточились на понимании роли микробиоты кишечника в регуляции сна и передвижения дрозофилы. Шреттер и др. предложил возможный механизм, объясняющий взаимосвязь между микробиотой кишечника и передвижением/сном. В этом исследовании штамм Oregon-R использовался в качестве дикого типа, а мухи получали диету с добавлением антибиотиков для создания мух, обработанных антибиотиками (ABX).

Результаты показали, что мухи ABX увеличили скорость ходьбы, улучшили повседневную активность и сократили сон в дневное время. Авторы также сообщили, что фермент ксилозоизомераза, который катализирует обратимую изомеризацию некоторых сахаров, присутствующих в Lactobacillus brevis, снижает двигательную активность, модулируя метаболизм сахара посредством стимуляции октопаминэргических нейронов; однако этот фермент не влияет на сон [36].

2.4. Микробиота кишечника и поведение, связанное с температурой

Температура окружающей среды сильно влияет на физиологию эктотермных животных, таких как дрозофилы. Температурное предпочтение (мухи избегают жарких или холодных сред) и толерантность к высоким или холодным температурам важны для выживания дрозофилы. Анализ температурного градиента используется для изучения температурных предпочтений мух.

В разных исследованиях использовались разные устройства с градиентом температуры, но основной принцип один и тот же: одна сторона устройства имеет низкую температуру, а другая сторона создает высокую температуру. Помещая алюминиевый лист между двумя сторонами, создается температурный градиент. Мух помещают на алюминиевый лист, и им разрешается выбирать предпочтительную температуру [62,63].

Существует два разных способа изучения поведения избегания температуры: один — использовать анализ температурного градиента (описанный выше), а другой — использовать анализатор с двумя вариантами выбора.

Машина для анализа с двумя вариантами содержит четыре квадранта, которые состоят из термоэлектрического охлаждающего чипа и алюминиевого листа. При выполнении анализа с избеганием температуры анализатор с двумя вариантами устанавливал постоянную температуру (25 ◦C) в одном наборе диагональных квадрантов, а в других диагональных квадрантах устанавливалась экспериментальная температура, которая зависит от анализа [64]. .

Выход из холодовой комы — это протокол изучения температурной толерантности. В этом анализе мух погружают в водно-гликолевую ванну с температурой -3,5 ◦C (в зависимости от схемы эксперимента) для холодового стресса или подвергают воздействию температуры 38,5 ◦C (в зависимости от схемы эксперимента) для теплового стресса, после чего мухам дают возможность восстановиться и измеряют время восстановления [37,65].

Недавние исследования показали, что микробиота кишечника сильно влияет на переносимость температуры у плодовых мух. Генри и др. Генерировали аксеничных мух путем дехлорирования, при котором яйца мух погружали в 2,7% гипохлорит на 2 минуты, в 70% этанол на 2 минуты и, наконец, дважды промывали в автоклавной воде [37]. После дехлорирования мух выращивали на автоклавированной пище. Их результаты показывают, что холодоустойчивость аксенических мух хуже, чем у обычных мух. Однако у аксенических мух не была нарушена жароустойчивость. Это говорит о том, что нарушение микробиоты снижает способность справляться с холодовым стрессом [37]. Исследования других видов дрозофилы, таких как D. subobscura, показывают, что обычные мухи подвергаются воздействию умеренной жары (<34 ◦C) exhibit higher thermal tolerance than axenic flies [38].

For more information:1950477648nn@gamil.com