Den nuværende protokol beskriver lipidtilskudsmetoder i flydende og on-plate kulturer for Caenorhabditis elegans, kombineret med langsgående undersøgelser og gentranskriptionel analyse fra bulk eller nogle få orme og ormvæv.
Aldring er en kompleks proces præget af progressive fysiologiske ændringer som følge af både miljømæssige og genetiske bidrag. Lipider er afgørende for at udgøre strukturelle komponenter i cellemembraner, lagre energi og som signalmolekyler. Regulering af lipidmetabolisme og signalering er afgørende for at aktivere forskellige levetidsveje. Rundorm Caenorhabditis elegans er en fremragende og kraftfuld organisme til at dissekere bidraget fra lipidmetabolisme og signalering i levetidsregulering. Flere forskningsundersøgelser har beskrevet, hvordan kosttilskud af specifikke lipidmolekyler kan forlænge C. elegans levetid; Men, mindre forskelle i tilskud betingelser kan forårsage reproducerbarhed spørgsmål blandt forskere i forskellige laboratorier. Her rapporteres to detaljerede tilskudsmetoder til C. elegans ved anvendelse af lipidtilskud enten med bakterier podet på plader eller bakteriel suspension i flydende kultur. Også heri er detaljerne til at udføre levetidsanalyser med livslang lipidtilskud og qRT-PCR-analyse ved hjælp af et helt ormlysatat eller dissekeret væv afledt af nogle få orme. Ved hjælp af en kombination af langsgående undersøgelser og transkriptionelle undersøgelser af lipidtilskud giver fodringsassays pålidelige tilgange til at dissekere, hvordan lipider påvirker levetid og sund aldring. Denne metode kan også tilpasses til forskellige ernæringsmæssige screeningsmetoder til vurdering af ændringer i en delmængde af transkripter ved hjælp af enten et lille antal dissekerede væv eller nogle få dyr.
Lipider
Lipider er små hydrofobe eller amfipatiske molekyler, der er opløselige i organiske opløsningsmidler, men uopløselige i vand 1,2. Forskellige lipidmolekyler adskiller sig fra hinanden baseret på antallet af carbonatomer indeholdt i deres kæder, placering, antal dobbeltbindinger og bundne strukturer, herunder glycerol eller fosfater. Lipider spiller afgørende roller inden for og på tværs af forskellige celler for at regulere organismefunktioner, herunder at udgøre membrandobbeltlag, tilvejebringe energilagring og fungere som signalmolekyler 3,4.
For det første er lipider strukturelle komponenter i biologiske membraner, herunder plasmamembranen og intracellulære subcellulære membraner, der adskiller de indre rum fra det ekstracellulære miljø. For det andet er lipider den vigtigste form for energilagring hos hvirveldyr og hvirvelløse dyr. Neutrale lipider, herunder triacylglyceroler, opbevares i en længere periode i forskellige væv, herunder i fedtvæv. I nematoden Caenorhabditis elegans er tarmen det vigtigste metaboliske fedtlagringsorgan; Dens funktion er ikke kun involveret i fordøjelse og absorption af næringsstoffer, men også i afgiftningsprocessen, der ligner aktiviteten af pattedyrs hepatocytter. Andre fedtopbevaringsvæv omfatter kimlinjen, hvor lipider er afgørende for udvikling af oocytter, og hypodermis, der består af hudlignende epidermale celler 3,5. For det tredje har flere beviser i de senere år antydet, at lipider er kraftige signalmolekyler involveret i intra- og ekstracellulær signalering ved direkte at virke på en række receptorer, herunder G-proteinkoblede og nukleare receptorer, eller indirekte via membranfluiditetsmodulation eller posttranslationelle modifikationer 6,7,8,9 . Yderligere undersøgelser vil fortsætte med at belyse de underliggende molekylære mekanismer for lipidsignalering til fremme af lang levetid og sundhed.
Modelorganismer er vigtige for at løse specifikke biologiske spørgsmål, der er for komplekse til at studere hos mennesker. For eksempel er rundorm C. elegans en fremragende model til gennemførelse af genetisk analyse for at dissekere biologiske processer, der er relevante for menneskelig ernæring og sygdom10. De højt bevarede molekylære veje, der er relevante for menneskelig fysiologi, komplekse væv, adfærdsmønstre og rigelige genetiske manipulationsværktøjer, gør C. elegans til en bemærkelsesværdig modelorganisme11. For eksempel er C. elegans fremragende til at videresende genetiske skærme til at identificere fænotypespecifikke gener såvel som i genom-dækkende omvendte genetiske skærme via RNA-interferens12.
I laboratorier dyrkes nematoderne på agar Petri-plader podet med en græsplæne af Escherichia coli-bakterier, der giver makronæringsstoffer som proteiner, kulhydrater og mættede og umættede fedtsyrer som energikilder og byggesten og mikronæringsstoffer såsom co-faktorer og vitaminer13. I lighed med pattedyr syntetiserer nematoder fedtsyremolekyler fra både palmitinsyre og stearinsyre (henholdsvis mættede 16-carbon- og 18-carbonmolekyler), der sekventielt desatureres og forlænges til en række mono-umættede fedtsyrer (MUFA’er) og flerumættede fedtsyrer (PUFA’er)14,15,16,17,18. Interessant nok er C. elegans i stand til de novo-syntese af alle de krævede fedtsyrer og kerneenzymer involveret i fedtsyrebiosyntese, desaturation og forlængelse, hvilket letter syntesen af langkædede PUFA’er19. Forskellig fra andre dyrearter kan C. elegans omdanne 18-carbon og 20-carbon ω-6 fedtsyrer til ω-3 fedtsyrer med sine egne ω-3 desaturase enzymer. Derudover har orme en Δ12 desaturase, der katalyserer dannelsen af linolsyre (LA) fra oliesyre (OA, 18: 1) 20,21. De fleste dyr eller planter mangler både Δ12 og ω-3 desaturaser og er derfor afhængige af diætindtagelse af ω-6 og ω-3 for at opnå deres PUFA’er, mens C. elegans ikke kræver diætfedtsyrer22. Isolerede mutanter, der mangler funktionelle desaturaseenzymer, er blevet brugt til at studere funktionerne af specifikke fedtsyrer i forskellige biologiske processer, herunder reproduktion, vækst, lang levetid og neurotransmission. Effekten af individuelle fedtsyrer på specifikke biologiske veje kan behandles ved hjælp af både en genetisk tilgang og kosttilskud16,17,23. Hidtil har lipidforskning fokuseret på at karakterisere gener involveret i lipidsyntese, nedbrydning, opbevaring og nedbrydning i neurologiske og udviklingsmæssige tilstande24. Imidlertid er lipidernes roller i levetidsregulering lige begyndt at blive afsløret.
Lipidsignalering i levetidsregulering
Lipider spiller afgørende roller i levetidsregulering ved at aktivere cellulære signalkaskader i forskellige væv og celletyper. Nylige undersøgelser har fremhævet lipidernes aktive roller i modulerende transkription og cellecellekommunikation via lipidbindende proteiner eller genkendelse af membranreceptorer25. Derudover tilbyder diætlipidtilskud et glimrende værktøj til at dissekere, hvordan lipidmetabolisme påvirker levetiden i C. elegans. Forskellige MUFA’er og PUFA’er har vist sig at fremme lang levetid ved at aktivere transkriptionsfaktorer26,27.
Levetidsmodeller, herunder insulin / IGF-1-signalering og ablation af kimlinjeprækursorceller, er forbundet med MUFA-biosyntesevejen, og MUFA-tilskud, herunder oliesyre, palmitolsyre og cis-vaccensyre, er tilstrækkelig til at forlænge C. elegans levetid26. Selvom den levetidseffekt, der tildeles af MUFA-administrationen, kræver yderligere undersøgelse, vil den underliggende mekanisme sandsynligvis blive formidlet af SKN-1/Nrf2-transkriptionsfaktoren, som er en nøgleaktivator for oxidativ stressrespons og levetidsregulering28,29. Blandt MUFA’er spiller en bestemt klasse af fede acylethanolamider kaldet N-acylethanolaminer (NAE’er) afgørende roller i forskellige mekanismer, herunder inflammation, allergier, læring, hukommelse og energimetabolisme30. Især lipidmolekylet kendt som oleoylethanolamid (OEA) er blevet identificeret som en positiv regulator af lang levetid ved at fremme translokationen af det lipidbindende protein 8 (LBP-8) i kernen for at aktivere de nukleare hormonreceptorer NHR-49 og NHR-807. Tilskud af OEA-analogen KDS-5104 er tilstrækkelig til at forlænge levetiden og inducerer ekspression af gener involveret i oxidative stressresponser og mitokondrie β-oxidation 7,8.
Samtidig har PUFA’ernes rolle også været knyttet til regulering af levetiden. Administration af PUFA ω-3 fedtsyre α-linolensyre (ALA) fremmer levetiden ved at aktivere NHR-49/PPARα, SKN-1/NRF transkriptionsfaktorer og inducere mitokondrie β-oxidation31. Interessant nok aktiverer peroxiderede produkter af ALA, kaldet oxylipiner, SKN-1 / NRF, hvilket tyder på, at både PUFA’er og deres oxidative derivater kan give levetidsfordele23. Tilskud af ω-6 fedtsyre arachidonsyre (AA) og dihomo-γ-linolensyre (DGLA) forlænger levetiden via autofagiaktivering, hvilket fremmer proteinkvalitetskontrol og resulterer i nedbrydning af spildte og giftige proteinaggregater27,32. For nylig har en celle-ikke-autonom signalregulering medieret af det lipidbindende protein 3 (LBP-3) og DGLA vist sig at være afgørende for at fremme lang levetid ved at sende perifere signaler til neuroner, hvilket tyder på en langtrækkende rolle af lipidmolekyler i intervævskommunikation på systemiske niveauer33. Den nuværende undersøgelse rapporterer hvert trin til at udføre lipidtilskud med bakterier podet på plader eller bakteriel suspension i flydende kultur. Disse metoder bruges til at vurdere levetid og transkriptionel analyse, anvende hele kropsindhold eller dissekeret væv afledt af nogle få orme. Følgende teknikker kan tilpasses en række ernæringsmæssige undersøgelser og tilbyde et gyldigt værktøj til at dissekere, hvordan lipidmetabolisme påvirker lang levetid og sund aldring.
Lipidtilskud har været ansat i aldringsforskning for at belyse den direkte virkning af visse lipidarter på sund aldring 6,7,23,26,27,31. Men, lipid tilskud procedure kan være udfordrende, og enhver inkonsekvens mellem eksperimenter kan forårsage ikke-reproducerbare resultater. Her dokumenteres den første detaljerede trin…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker P. Svay for vedligeholdelsesstøtte. Dette arbejde blev støttet af NIH-tilskud R01AG045183 (MCW), R01AT009050 (MCW), R01AG062257 (MCW), DP1DK113644 (MCW), March of Dimes Foundation (MCW), Welch Foundation (MCW), HHMI-efterforsker (MCW) og NIH T32 ES027801 prædoktorand (MS). Nogle stammer blev leveret af CGC, som finansieres af NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440).
1.5 mL Pestle | Genesee Scientific | 93-165P15 | For worm grinding with Trizol |
Agarose | Sigma | A9639-500G | |
AmfiRivert cDNA Synthesis Platinum Master Mix | GenDEPOT | R5600 | For reverse transcription from bulk worm samples |
Applied Biosystems QuanStudio 3 Real-Time PCR | ThermoFisher | A28567 | For qRT-PCR |
Benchmark Scientific StripSpin 12 Microcentrifuge | Benchmark Scientific | C1248 | For spin down PCR tubes |
Branson 450 Digital Sonifier, w/ 1/8" tip | Branson Ultrasonic Corporation | 100-132-888R | |
Chloroform | Fisher Scientific | C298-500 | |
Cholesterol | Sigma | C8503-25G | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | D8418-100ML | |
Eppendorf 5424 R centrifuge | Eppendorf | 22620444R | For RNA extraction |
Eppendorf vapo protect mastercycler pro | Eppendorf | 950030010 | For reverse transcription |
Ethanol, Absolute (200 Proof) | Fisher Scientific | BP2818-500 | |
Greiner Bio-One CELLSTAR, 12 W Plate | Neta Scientific | 665180 | 12-well plates for licuid feeding |
Greiner Bio-One Petri Dish, Ps, 100 x 20 mm | Neta Scientific | 664161 | For bacterial LB plates and worm 10-cm NGM plates |
Greiner Bio-One Petri Dish, Ps, 60 x 15 mm | Neta Scientific | 628161 | For worm6-cm NGM plates |
Invitrogen nuclease-free water | ThermoFisher | AM9937 | |
Isoproanol | Sigma | PX1835-2 | |
Levamisole hydrochloride | VWR | SPCML1054 | |
lipl-4Tg | MCW Lab | N/A | Transgenic C. elegans |
lipl-4Tg;fat-3(wa22) | MCW Lab | N/A | Transgenic C. elegans |
Luria Broth Base | ThermoFisher | 12795-084 | |
Magnesium sulfate (MgSO4) | Sigma | M2643-500G | |
MicroAmp EnduraPlate Optical 96-Well Fast Clear Reaction Plate with Barcode | ThermoFisher | 4483354 | 96-well qPCR plate |
MicroAmp Optical Adhesive Film | Applied BioSystem | 4311971 | For sealing the 96-well qPCR plate |
Milli-Q Advantage A10 Water Purification System | Sigma | Z00Q0V0WW | Deionized water used to make all reagents, including buffer and cultural media, unless specified as nuclease-free water in the protocol |
N2 | Caenorhabditis Genetics Center | N/A | C. elegans wild isolate |
NanoDrop ND-1000 Spectrophotometer | ThermoFisher | N/A | For measuring RNA concentration |
OP50 | Caenorhabditis Genetics Center | N/A | Bacteria used as C. elegans food |
Potasium phosphate dibasic trihydrate (K2HPO4·3H2O) | Sigma | P5504-1KG | |
Potasium phosphate monobasic (KH2PO4) | Sigma | P0662-2.5KG | |
Power SYBR Green cells-to-Ct kit | ThermoFisher | 4402953 | For reverse transcription and qPCR from a few worms or worm tissue |
Power SYBR Green Master Mix | ThermoFisher | 4367659 | For qPCR from bulk worm samples |
Pure Bright germicidal ultra bleach | KIK International LLC. | 59647210143 | 6% house bleach For worm egg preparation |
Pyrex spot plate with nine depressions | Sigma | CLS722085-18EA | Watch glass for dissecting the worms |
RNaseZap RNase Decontamination Solution | ThermoFisher | AM9780 | |
Sodium cloride (NaCl) | Sigma | S7653-1KG | |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma | SX0590-3 | |
Sodium phosphate dibasic heptahydrate (Na2HPO4·7H2O) | Sigma | S9390-1KG | |
Thermo Sorvall Legend Mach 1.6R Centrifuge | Thermo | 7500-4337 | For bacteria collection |
Thermo Sorvall ST 8 centrifuge | Thermo | 7500-7200 | For worm egg preparation |
TRIzol Reagent | TheroFisher | 15596018 | RNA extraction reagent |
Turbo DNA-free kit | ThermoFisher | AM1907 | For removing DNA contamination in RNA extractions |
Vortexer 59 | Denville Scientific INV | S7030 | |
VWR Disposable Pellet Mixers and Cordless Motor | VWR | 47747-370 | For worm grinding with Trizol |
VWR Kinetic Energy 26 Joules Mini Centrifuge C1413 V-115 | VWR | N/A | For worm collection. Discontinued model, a similar one available at VWR with Cat# 76269-064 |
Worm picker | WormStuff | 59-AWP |