Nieves Baenas

1 Институт по хранителна медицина, Университет в Любек, Ratzeburger Allee 160, 23538 Любек, Германия

melanogaster

Аника Е. Вагнер

2 Институт по хранителни науки, Университет Юстус-Либих, Вилхелмщрасе 20, 35392 Гисен, Германия

Свързани данни

Резюме

Нутригеномиката обяснява взаимодействието между генома, протеома, епигенома, метаболома и микробиома с хранителната среда на организма. Следователно той се намира на границата между здравето на организма, неговата диета и генома.

Диетата и/или специфичните диетични съединения могат да повлияят не само на моделите на генна експресия, но и на епигенетичните механизми, както и на производството на метаболити и бактериалния състав на микробиотата. Drosophila melanogaster осигурява добре подходящ модел на организма за разгадаване на тези взаимодействия в контекста на нутригеномиката, тъй като съчетава няколко предимства, включително достъпна поддръжка, кратко време на генериране, висока плодовитост, сравнително кратка продължителност на живота, добре характеризиран геном и наличието на няколко мутантни мухарски линии. Освен това в него се намира чревна система, подобна на бозайник, с ясна микробиота и мастно тяло, наподобяващо мастната тъкан с еквивалентни на черния дроб еноцити, поддържащи мухата като отличен модел на организма не само в нутригеномиката, но и в хранителните изследвания. Експериментални подходи, които по същество са необходими при нутригеномните изследвания, включително няколко технологии за секвениране, вече са установени при плодовата муха. Понастоящем проучванията, изследващи взаимодействието на определена диета и/или диетични съединения в мухата, в момента са много ограничени.

Настоящият преглед предоставя преглед на морфологията на мухата, включително чревния микробиом и антимикробните пептиди като модулатори на имунната система. Освен това, той обобщава нутригеномичните подходи при плодовата муха, помагайки да се изяснят взаимодействията гостоприемник-геном с хранителната среда в моделния организъм Drosophila melanogaster.

Заден план

Нутригеномиката дефинира взаимодействията между хранителните вещества и гените в гостоприемника и понастоящем включва не само взаимодействия между хранителни вещества и гени, но също така и хранително-епигенетични, хранителни-протеомични и хранително-метаболомични взаимодействия, както и взаимодействия между домакин-диета и микробиом [1]. В този смисъл нутригеномните изследвания са разположени на пресечната точка между диетата, здравето и геномиката [2, 3].

Drosophila melanogaster е моделен организъм, който по същество се прилага в генетичните изследвания, който носи обещаващи предимства при изучаването на предклиничната нутригеномика. Неговата еволюционна биология допринася значително за разбирането на генната експресия и развитие при хората, тъй като нейният геном съхранява приблизително 60% от гените, които са свързани с ДНК мутации, амплификации или делеции при разнообразен набор от човешки заболявания [4, 5]. Неговият геном кодира ок. 18 000 гена, разположени върху четири хомоложни двойки хромозоми, докато само три от тях държат основната част на генома. Мухите и видовете бозайници обикновено споделят около 40% от нуклеотидните и протеиновите последователности в своите хомолози; в някои запазени функционални домейни тя може да бъде повече от 90% [6, 7]. Генерирани са хромозомни делеции и мутации за производството на мутанти Drosophila melanogaster, насочени към повече от 80% от нейния геном [8].

Освен добре характеризирания си геном и добрата наличност на мутантни и трансгенни мухи, други предимства, включително бърз жизнен цикъл (12 дни за последователност на яйце, личинка, какавида и имаго), кратък живот (около 70–80 дни ), малък размер (възможност за отглеждане на стотици индивиди в малки бутилки) и относително лесно генериране на мутантни животни в сравнение с други организми правят Drosophila melanogaster отличен моделен организъм в нутригеномните изследвания.

По-специално, поради наличието на мастно тяло с адипоцити и запазени метаболитни пътища, участващи в метаболизма на мазнините и инсулиновата сигнализация, Drosophila melanogaster се използва широко за изследване на заболявания, свързани със затлъстяването, включително сърдечно-съдова дисфункция или рак [9-11]. Промените в нивата на триглицеридите и съхранението на липиди, предизвикани от приема на диети с високо съдържание на мазнини и с високо съдържание на захар, са свързани с генетични вариации в двата гена на инсулин/инсулиноподобния сигнален растежен фактор (IIS) и целта на рапамицин (TOR) сигнален път [12, 13].

Плодовата муха също прилича на добър модел за изследване на различни тъкани или органи поради своята анатомия, подобна на бозайник, и еквивалентни функции. Настоящият преглед предоставя информация за морфологията и анатомията на плодовата муха със специален фокус върху стомашно-чревната система и чревната микробиота, ключови факти в изследванията на нутригеномиката. Освен това дава представа за различните методи, прилагани в нутригеномиката и тяхното използване при Drosophila melanogaster.

Drosophila melanogaster - морфология

Drosophila melanogaster представя различни морфологични черти като продукт на естествения подбор. Тези разлики обикновено се свързват с генни мутации, отнасящи се до единични фенотипове [14]. Маркерите за мутация, показващи разлики в четините, крилата, придатъците, формите на очите и цветовете и размерите на тялото, са събрани от FlyBase (www.flybase.org), предоставяйки точна информация за местоположението му в хромозомите. Съобщава се, че факторите на околната среда, като хранене, температура или пренаселеност, са отговорни за морфологичните признаци, по-специално вариациите в размера на тялото, и са свързани с картографиране на количествени локуси на признаци (QTL) върху третата хромозома, докато няма QTL или QTL с незначителни ефекти върху тези фактори са открити в другите основни хромозоми [14]. Времето за развитие на мухи, известно още като жизнен цикъл на плодовата муха, варира в зависимост от различните условия на околната среда. Обикновено развитието на нови мухи отнема около 10 дни при 25 ° C с четири етапа на развитие: ембрион, ларви (три различни етапа), етап на кученце и имаго. Възрастните мухи достигат полова зрялост 2–4 дни след еклозия.

Според типичната морфология на насекомите тялото на възрастните плодови мухи е разделено на три части: глава, гръден кош и корем. В главата има няколко сетивни органа, като се отбелязват съставните очи, съдържащи първични пигменти, характерни за различните мутанти, и хоботът, представляващ вкусовия орган за откриване на храна, вкус и прием, който може да бъде удължен и прибран и изпомпва храна в червата. Гръдният кош е разделен на три секции: проторакс (преден) с един чифт крака, мезоторакс (среден) с един чифт крака и един чифт крила и метаторакс (заден) с един чифт крака и един чифт ограничители (модифициран крила). Женските и мъжките могат лесно да бъдат разграничени по морфологични признаци, особено женските обикновено са по-големи и притежават корем със заострен връх, докато мъжете показват заоблен корем с черна пигментация в задния сегмент с епандрий (мъжки външни гениталии) [15].

Анатомията на мухата включва органични системи с еквивалентни функции на организмите на бозайници, включително мозъка, периферната нервна система, сърцето, трахеалната система (подобно на белия дроб), хранопровода, малпигиевите каналчета (подобно на бъбреците), мастното тяло с еноцити ( комбиниращи функциите на мастната тъкан и черния дроб), червата и половите жлези [16]. Мозъкът на мухата притежава повече от 100 000 неврони и показва важни функции по подобен начин, както в централната нервна система на бозайниците, включително циркадни ритми, сън, учене, памет, ухажване, хранене, агресия, поддържане и навигация в полет. Следователно този модел организъм предлага възможността да изследва поведението, свързано с храненето, като анализира метаболитните промени във връзка с невроендокринните и невромодулаторните състояния и основните молекулни механизми [17]. Документирано е, че мухите реагират на различни диетични съединения или лекарства в централната си нервна система по подобен начин, както се наблюдава в системите на бозайници [6].

Стерилни или аксенови щамове мухи (отглеждани при условия, свободни от микроби) могат да бъдат генерирани или чрез прилагане на ниски дози стрептомицин към диетата, или чрез извършване на премахване на яйца [43]. За да се получат мухи с определена микробна общност (гнотобиотични мухи), мухите или ще бъдат изложени на съответно инокулирани стерилни диети, или ембрионите ще срещнат микробни видове от интерес [44]. В експеримент с използване на аксенови и гнотобиотични мухи, Dobson et al. [45] сравнява съвместната експресия на специфични и функционално свързани гени, свързани с растежа, метаболизма и неврофизиологичните регулатори (като компонентите на IIS и TOR пътищата), показвайки повишено регулиране на тези гени в присъствието на микробиотата и следователно неговото влияние върху гостоприемника транскриптом [45]. Неотдавнашна публикация демонстрира, че елиминирането на микробиотата променя експресията на свързани с имунния отговор гени, както и гени, свързани с оксидативен стрес и обща детоксикация, в главата на млад възрастен Drosophila melanogaster [46].

Нутригеномни подходи при Drosophila melanogaster

Както споменахме по-рано, нутригеномиката се отнася не само до взаимодействията между гени и хранителни вещества, но също така и към взаимодействията между хранителните вещества и епигенетиката, хранителните вещества с протеомични вещества, хранителните вещества в метаболомичните вещества и хранителните вещества в микробиомите (фиг. 1).