Накин Го

a Гимназията, свързана с университета Renmin, Китай

Jiayu Wang

b Експериментално начално училище Чаоянг, свързано с Университета на Нормал Капитал, Китай

XiangMing Wang

c Институт по биофизика, Китайска академия на науките, Китай

Резюме

Гладуването и диетата с високо съдържание на въглехидрати оказват голямо влияние върху здравето ни, докато въздействието им върху способността за учене не е толкова ясно. Тук използвахме C. elegans като моделен организъм, за да го изследваме. Гладувахме червеите в продължение на 24 часа или ги хранехме с глюкоза след излюпването и след това измервахме способността им за учене на етап L4, използвайки анализ на механично сензорно стимулиране. Резултатите показват, че способността за учене е значително намалена от глад, докато може постепенно да се възстанови след 3 часа нормално хранене. След лечение с глюкоза съотношението дължина-ширина на червея беше намалено и способността за учене също беше значително намалена. Интересното е, че този ефект може да се предаде две поколения вероятно чрез епигенетично наследство. За да се разбере механизмът на тези ефекти, бяха използвани мутанти на възраст 1 и mec-3 и те повлияха различно способността за учене при нормални или неблагоприятни условия. Поради това стигнахме до заключението, че гладуването и диетата с високо съдържание на въглехидрати могат да модулират способността за учене на C. elegans и те се регулират от различни генни мрежи.

1. Въведение

Много хора в развиващите се страни са изправени пред проблема с недостига на храна и глада, което води до промени в телесните функции. Ефектът от гладуването върху метаболитните процеси и свързаният с него молекулен механизъм са добре проучени [1, 2], но ефектът му върху способността за учене остава неуловим. Тъй като учебният процес се нуждае от висока енергия, ние предполагаме, че гладуването може да доведе до намалена способност за учене и може да бъде възстановено чрез прием на калории.

От друга страна, затлъстяването, сърдечно-съдовите заболявания, хипертонията и диабет тип II, които са предизвикани от диета с високо съдържание на въглехидрати, се превърнаха в сериозен обществен проблем [3]. Освен че причиняват тези увреждания на периферните органи и тъкани, убедителни доказателства показват също, че диетата с високо съдържание на въглехидрати може да причини дисфункция на централната нервна система [4, 5, 6]. Освен това е доказано, че ефектът от диетите с високо съдържание на въглехидрати може да се предаде епигенетично [7]. Въпреки това, ефектът от високо въглехидратната диета върху способността за учене рядко се изучава. Предполагаме, че диетата с високо съдържание на въглехидрати би причинила затлъстяване и дисфункция в невроните, което би намалило способността за учене.

За да проверим тези две хипотези по-горе, използвахме Caenorhabditis elegans (съкратено като C. elegans) като моделна система за изучаването му. C. elegans е свободно живеещ нематод, който е с дължина около 1 мм и има бърз жизнен цикъл. Отнема около 3,5 дни, за да стане полово зрял при 20 ° C. По-голямата част от тях са самооплождаващи се хермафродити, докато мъжете се появяват с честота от 0,2%. През 1965 г. Сидни Бренер използва C. elegans като модел за изучаване на молекулярна биология и биология на развитието. Оттогава той се използва широко за ембрионално развитие, определяне на пола, апоптоза, поведение и невробиология [8].

2. Материали и методи

2.1. Поддържане на C. elegans

C. elegans са култивирани, както е описано по-рано [11], с малко модификации. Накратко, червеите са отгледани върху среда за растеж на нематоди (NGM), хранени с E. coli OP50 и държани при 20 ° C. Дивият тип е щамът на Бристол N2. Използваните мутантни щамове са както следва: mec-3 (CB1338), възраст-1 (TJ1052), dpy-11 (TV51143). Всички щамове се осигуряват от Геногенния център на Caenorhabditis.

2.2. Гладуване и високо въглехидратно диетично лечение на C. elegans

За лечение на глад, синхронизирани червеи се култивират при 20 ° C няколко дни. 24 часа след консумирането на Е. coli, червеи L4 се вземат, за да се измери тяхната способност за учене. Червеите не навлизат в стадия на дауер.

За диетично лечение с високо съдържание на въглехидрати се смесват течни култури от OP50 и 400 g/L глюкозен разтвор, за да се получи крайната концентрация на глюкоза 200 g/L, 40 g/L, 4 g/L След това разтворът се разбърква добре и се засява върху NGM плочи. Синхронизираният L1 се прехвърля в тези плаки в култура около 2-3 дни, докато червеите са на етап L4. След това те се използват за измерване на способността за учене.

2.3. Анализ на механично сензорно стимулиране

Анализът се извършва, както е описано от Kitamura et al. [12] с известна модификация. Един хермафродит L4 се взима на NGM плоча, набраздена с E.coli OP50 и се използва вежда, която внимателно докосва главата му. Ако се движи назад, бройте като първия стимул. Обикновено червеят се движеше напред, след като се движеше назад. През времето, когато се движи напред, беше извършен следващият стимул. Стимулът се повтаря, докато червеят не спре да се движи назад. Броят на необходимите стимули е индексът за способността за учене. Колкото по-малък е броят, толкова по-добра е способността за учене. Ако тези числа между две групи лечение показват значителна разлика (P 0,05 означава незначителна. Данните, сравняващи множество групи, се анализират по един начин ANOVA и тест за множество сравнения на Tukey.

3. Резултати

3.1. Способността за учене на нормално хранени червеи

За да изследваме способността за учене на червеите при различни неблагоприятни условия, първо трябва да измерим способността за учене при нормални условия. Така че ние използвахме тест за механично сензорно стимулиране, за да измерим неасоциативната способност за учене на нормално хранени червеи. Резултатът показва, че повечето от червеите са спрели да се движат назад след 10 дразнения, а средното разстояние назад се намалява постепенно (фиг. 1). Независими многократни експерименти показаха много сходни данни, което показва, че този анализ е достатъчно силен, за да се тества способността за учене при глад или диети с високо съдържание на въглехидрати.

ефект

Неасоциативната способност за учене на C. elegans, измерена чрез анализ на механично сензорно стимулиране. A-F) серийните снимки на червея под стимулации. Мащабната лента е 500μm. A-D показа, че червеят се движи назад след стимула, а разстоянието на обръщане (черни линии) също е представено на фигура. E и F показаха, че червеят се движи напред вместо обръщане след стимула, демонстрирайки, че този червей е привикнал към стимул. Ж) Абсцисата представя времената на механосензорната стимулация. Ординатата представя средната дължина, през която червеят се е преместил назад след стимулация. Стойностите са средни ± SEM. n = 80. Четири пъти независими експерименти.

3.2. Гладуването намалява способността за учене на C. elegans

След това използвахме същия тест за измерване на способността за учене на изгладнели червеи (около 1 ден глад) и червеи, които бяха хранени в продължение на 1h, 2h и 3h след гладуването. Времената на стимули за гладувалите, хранени в продължение на 1h, 2h и 3h животни след гладуване, за да спрат да се движат назад, бяха съответно около 27, 21, 15 и 10 (фиг. 2 А). Това показва, че гладуването намалява способността за учене и може постепенно да се възстанови чрез прием на храна.

Резултатът показа, че мутантът на възраст 1 значително намалява способността за учене в сравнение с дивия тип (P Фиг. 2 B), което предполага, че гладуването може да намали способността за учене чрез път, който е успореден на инсулиноподобен път. Няма обаче съществена разлика в способността за учене на нормално хранени диви видове и mec-3 мутант (P Фиг. 2 B).