Summary

Lipidtilskud til lang levetid og gentranskriptionel analyse i Caenorhabditis elegans

Published: December 09, 2022
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Figur 1 viser et skema over lipidfodring ved hjælp af forskellige eksperimentelle indstillinger. 1. Fremstilling af lipidkonditionerede bakterier Forbered baseopløsningen Bakteriel fortynding kostbegrænsning (BDR) ved at opløse 5,85 g NaCl, 1,0 g K 2 HPO 4og 6,0 g KH2PO4 (se Materialetabel) i 999 ml deioniseret vand. Juster pH til 6,0 med 0,5 M KOH, og filtrer derefter genn…

Representative Results

Validering af transkriptionelle ændringer ved hjælp af et par hele orme ved lipidtilskudFor at undersøge, om protokollen til ekstraktion og retrotransskribering af RNA til cDNA fra nogle få hele orme er reproducerbar og sammenlignelig med data fra bulkorme, blev en langlivet ormstamme, der overudtrykte lysosomalsyrelipasen lipl-4 i tarmen, anvendt 7,8,33,35. De…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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).

Materials

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

References

  1. Fahy, E., et al. Update of the LIPID MAPS comprehensive classification system for lipids 1. Journal of Lipid Research. 50, 9-14 (2009).
  2. Liebisch, G., et al. Update on LIPID MAPS classification, nomenclature, and shorthand notation for MS-derived lipid structures. Journal of Lipid Research. 61 (12), 1539-1555 (2020).
  3. Mutlu, A. S., Duffy, J., Wang, M. C. Lipid metabolism and lipid signals in aging and longevity. Developmental Cell. 56 (10), 1394-1407 (2021).
  4. Kimura, T., Jennings, W., Epand, R. M. Roles of specific lipid species in the cell and their molecular mechanism. Progress in Lipid Research. 62, 75-92 (2016).
  5. Duffy, J., Mutlu, A. S., Wang, M. C., Olsen, A., Gill, M. Lipid Metabolism, Lipid Signalling and Longevity. Ageing: Lessons from C. elegans. Healthy Ageing and Longevity. , 307-329 (2017).
  6. Lesa, G. M., et al. Long chain poly-unsaturated fatty acids are required for efficient neurotransmission in C. elegans. Journal of Cell Science. 116 (24), 4965-4975 (2003).
  7. Folick, A., et al. Lysosomal signaling molecules regulate longevity in Caenorhabditis elegans. Science. 347 (6217), 83-86 (2015).
  8. Ramachandran, P. V., et al. Lysosomal signaling promotes longevity by adjusting mitochondrial activity. Developmental Cell. 48 (5), 685-696 (2019).
  9. Byrne, E. F. X., et al. Structural basis of Smoothened regulation by its extracellular domains. Nature. 535 (7613), 517-522 (2016).
  10. Corsi, A. K., Wightman, B., Chalfie, M. A. Transparent window into biology: a primer on Caenorhabditis elegans. 유전학. 200 (2), 387-407 (2015).
  11. Nigon, V. M., Félix, M. -. A. History of research on C. elegans and other free-living nematodes as model organisms. WormBook. , 1-84 (2017).
  12. Kutscher, L. M., Shaham, S. Forward and reverse mutagenesis in C. elegans. WormBook. , 1-26 (2014).
  13. Brooks, K. K., Liang, B., Watts, J. L. The influence of bacterial diet on fat storage in C. elegans. PloS ONE. 4 (10), 7545 (2009).
  14. Brock, T. J., Browse, J., Watts, J. L. Fatty acid desaturation and the regulation of adiposity in Caenorhabditis elegans. 유전학. 176 (2), 865-875 (2007).
  15. Brock, T. J., Browse, J., Watts, J. L. Genetic regulation of unsaturated fatty acid composition in C. elegans. PloS Genetics. 2 (7), 108 (2006).
  16. Watts, J. L., Phillips, E., Griffing, K. R., Browse, J. Deficiencies in C20 poly-unsaturated fatty acids cause behavioral and developmental defects in Caenorhabditis elegans fat-3 mutants. 유전학. 163 (2), 581-589 (2003).
  17. Watts, J. L., Browse, J. Genetic dissection of poly-unsaturated fatty acid synthesis in Caenorhabditis elegans. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99 (9), 5854-5859 (2002).
  18. Watts, J. L., Browse, J. A. Palmitoyl-CoA-specific Δ9 fatty acid desaturase from Caenorhabditis elegans. Biochemical and Biophysical Research Communications. 272 (1), 263-269 (2000).
  19. Watts, J. L. Fat synthesis and adiposity regulation in Caenorhabditis elegans. Trends in Endocrinology & Metabolism. 20 (2), 58-65 (2009).
  20. Peyou-Ndi, M. M., Watts, J. L., Browse, J. Identification and characterization of an animal Δ12 fatty acid desaturase gene by heterologous expression in Saccharomyces cerevisiae. Archives of Biochemistry and Biophysics. 376 (2), 399-408 (2000).
  21. Spychalla, J. P., Kinney, A. J., Browse, J. Identification of an animal ω-3 fatty acid desaturase by heterologous expression in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 94 (4), 1142-1147 (1997).
  22. Watts, J. L., Browse, J. Isolation and characterization of a Δ5-fatty acid desaturase from Caenorhabditis elegans. Archives of Biochemistry and Biophysics. 362 (1), 175-182 (1999).
  23. Deline, M. L., Vrablik, T. L., Watts, J. L. Dietary supplementation of polyunsaturated fatty acids in Caenorhabditis elegans. Journal of Visualized Experiments. (81), e50879 (2013).
  24. Estes, R. E., Lin, B., Khera, A., Davis, M. Y. Lipid metabolism influence on neurodegenerative disease progression: is the vehicle as important as the cargo. Frontiers in Molecular Neuroscience. 14, 788695 (2021).
  25. Sunshine, H., Iruela-Arispe, M. L. Membrane lipids and cell signaling. Current Opinion in Lipidology. 28 (5), 408-413 (2017).
  26. Han, S., et al. Mono-unsaturated fatty acids link H3K4me3 modifiers to C. elegans lifespan. Nature. 544 (7649), 185-190 (2017).
  27. O’Rourke, E. J., Kuballa, P., Xavier, R., Ruvkun, G. ω-6 Poly-unsaturated fatty acids extend life span through the activation of autophagy. Genes & Development. 27 (4), 429-440 (2013).
  28. Steinbaugh, M. J., et al. Lipid-mediated regulation of SKN-1/Nrf in response to germ cell absence. eLife. 4, 07836 (2015).
  29. Blackwell, T. K., Steinbaugh, M. J., Hourihan, J. M., Ewald, C. Y., Isik, M. SKN-1/Nrf, stress responses, and aging in Caenorhabditis elegans. Free Radical Biology and Medicine. 88, 290-301 (2015).
  30. Ezzili, C., Otrubova, K., Boger, D. L. Fatty acid amide signaling molecules. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 20 (20), 5959-5968 (2010).
  31. Qi, W., et al. The ω-3 fatty acid α-linolenic acid extends Caenorhabditis elegans lifespan via NHR-49/PPARα and oxidation to oxylipins. Aging Cell. 16 (5), 1125-1135 (2017).
  32. Shemesh, N., Meshnik, L., Shpigel, N., Ben-Zvi, A. Dietary-induced signals that activate the gonadal longevity pathway during development regulate a proteostasis switch in Caenorhabditis elegans adulthood. Frontiers in Molecular Neuroscience. 10, 254 (2017).
  33. Savini, M., et al. Lysosome lipid signalling from the periphery to neurons regulates longevity. Nature Cell Biology. 24 (6), 906-916 (2022).
  34. Stiernagle, T. Maintenance of C. elegans. WormBook. , (2006).
  35. Wang, M. C., O’Rourke, E. J., Ruvkun, G. Fat metabolism links germline stem cells and longevity in C. elegans. Science. 322 (5903), 957-960 (2008).
  36. Jacob, T. C., Kaplan, J. M. The EGL-21 carboxypeptidase E facilitates acetylcholine release at Caenorhabditis elegans neuromuscular junctions. The Journal of Neuroscience. 23 (6), 2122-2130 (2003).
  37. Kass, J., Jacob, T. C., Kim, P., Kaplan, J. M. The EGL-3 proprotein convertase regulates mechanosensory responses of Caenorhabditis elegans. The Journal of Neuroscience. 21 (23), 9265-9272 (2001).
  38. Bael, S. V., et al. Mass spectrometric evidence for neuropeptide-amidating enzymes in Caenorhabditis elegans. Journal of Biological Chemistry. 293 (16), 6052-6063 (2018).
  39. Fu, D., et al. In vivo metabolic fingerprinting of neutral lipids with hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy. Journal of the American Chemical Society. 136 (24), 8820-8828 (2014).
check_url/kr/64092?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Savini, M., Lee, Y., Wang, M. C., Zhou, Y. Lipid Supplementation for Longevity and Gene Transcriptional Analysis in Caenorhabditis elegans. J. Vis. Exp. (190), e64092, doi:10.3791/64092 (2022).

View Video