Kapillären Feeder analysen mäter matkonsumtionen i<em> Drosophila melanogaster</em
Summary
The CApillary FEeder (CAFE) assay is a simple, budget-friendly, highly reliable method for investigating mechanisms underlying food intake. Used with the highly versatile genetic model organism Drosophila melanogaster, it provides a powerful means of gaining new insights into regulatory mechanisms of food intake.
Abstract
For most animals, feeding is an essential behavior for securing survival, and it influences development, locomotion, health and reproduction. Ingestion of the right type and quantity of food therefore has a major influence on quality of life. Research on feeding behavior focuses on the underlying processes that ensure actual feeding and unravels the role of factors regulating internal energy homeostasis and the neuronal bases of decision-making. The model organism Drosophila melanogaster, with its great variety of genetically traceable tools for labeling and manipulating single neurons, allows mapping of neuronal networks and identification of molecular signaling cascades involved in the regulation of food intake. This report demonstrates the CApillary FEeder assay (CAFE) and shows how to measure food intake in a group of flies for time spans ranging from hours to days. This easy-to-use assay consists of glass capillaries filled with liquid food that flies can freely access and feed on. Food consumption in the assay is accurately determined using simple measurement tools. Herein we describe step-by-step the method from setup to successful execution of the CAFE assay, and provide practical examples to analyze the food intake of a group of flies under controlled conditions. The reader is guided through possible limitations of the assay, and advantages and disadvantages of the method compared to other feeding assays in D. melanogaster are evaluated.
Introduction
Äta är viktigt; Men kostar avreglering av födointag leder till ätstörningar, såsom bulimi, anorexi eller den allmänna tendensen att äta för mycket ålägger på individen och samhället en, två, tre. Målet med föreliggande forskning är att avslöja regler hos födointag och att tillhandahålla en metod för att kringgå störning bildning. Ett stort antal studier som använder däggdjursmodellorganismer har gett nya insikter i kretsen och den roll som signalsystem i ätstörningar 4, 5, 6. Ändå vår kunskap om neuronala och molekylära grunderna bakom dessa sjukdomar är långt ifrån komplett. Under de senaste åren, bananflugan Drosophila melanogaster har blivit ett värdefullt modellsystem för att reda ut grundläggande mekanistiska insikter i regleringen av metabolism 7, 8, 9. Den kapillära Feeder (CAFE) analys för Drosophila melanogaster ades i labbet av Seymour Benzer 2007 inspirerad av ett tidigare arbete av Dethier i spyfluga 10, 11. CAFE-analysen gjort det möjligt att direkt mäta födointaget i Drosophila melanogaster. I detta beteende testsystem, flugor foder på flytande livsmedel som tillhandahålls i graderade glas kapillärer placerade inuti en flaska. Nedgången i den kapillära menisken indikerar förlust av mat lösning genom avdunstning och livsmedelskonsumtion. Bestämning avdunstningshastigheten från injektionsflaskor utan flugor medger noggrann kvantifiering av födointag.
CAFE-analysen är ett av flera beteendeparadigm som används för att mäta utfodring i Drosophila melanogaster och forskare måste välja den mest lämpliga för deras specifikafråga. Beslutet att använda en viss analys bör överväga följande punkter: den typ av livsmedel som tillhandahålls; matnings tillstånd; mätningen av intag eller upptag av näringsämnen och utredning livsmedelskonsumtion eller svar till mat.
CAFE-analysen som beskrivs i denna rapport är idealisk för att följa födointag av en flytande föda under en upprätt matnings tillstånd. Alternativt födointaget kan mätas för en fluga grupp på en färgad näringskälla i en injektionsflaska eller på en skylt. Flugor är normalt dödas eller bedövades efter matning och mängden av intagen färgämne bestäms genom spektrometri eller visuell inspektion av det färgade buken. Flugor börjar utsöndra den intagna maten endast 30 minuter efter intag, denna metod är därför svårt att använda för analys av kontinuerliga längre utfodring beteenden 12, 13.
I motsats flugor hålls intakt när absorber färgämnes med radioaktiva spårämnen används och deras konsumtion av radioisotop görs i en scintillationsräknare 14, 15. Absorption av den radioaktiva märkningen av flugan matsmältningssystemet gör långsiktiga livsmedelsupptag mätning möjligt, men kan leda till en underskattning av konsumtion på grund av icke-absorberade och utsöndrade spårmolekyler. Ett annat sätt att mäta svar på mat i Drosophila melanogaster är snabel förlängningen svar (PER), vilket normalt inträffar för födointag 16. Denna eleganta metod mäter det första svaret på en livsmedels stimulans men inte redovisar mängden intaget. Födointag dynamiskt justeras under matning med hjälp av flera efter matsmältningsåterkopplingssignaler som är kritiska för reglering av matningen 17, 18. Flera försök har gjorts under de senaste åren till samling halv automatisera uppgifter i PER-analysen <supp class = "xref"> 19, 20. PER detekteras av en elektrisk dyna eller en kombination av elektroder och räknades via dator. Kombinera per analys med radioisotopupptaget visade att denna analys begränsas av låg känslighet för detektering av mängden utfodring skillnader 18. Den manuella matningsanalys (Mafe) 21, i vilken en fluga matas manuellt med en glaskapillär, har nyligen utvecklats för att mäta mat upptag i en enda immobiliserade fluga. Den Mafe analysen eliminerar interferens av födosök och utfodring initiering och har en tidsupplösning av några sekunder, och initiering av PER och matkonsumtion kan övervakas oberoende i analysen. Men det sätt på vilket immobilisering av flugan påverkar vissa aspekter av ätbeteende (t.ex. förflyttning, motivation) måste fortfarande utredas. För utmärkta jämförande recensioner av olika analyser för att mäta livsmedelskonsumtion i Drosophila melanogaster och för att hjälpa forskare att hitta den mest lämpliga, se rapporter från Deshpande och Marx 13, 22.
CAFE assay undviker en del av nackdelarna med andra analyser beskrivna ovan och kombinerar enkelhet i användning med tillförlitlig mätning av födointag. Här är en detaljerad beskrivning av CAFE-analysen tillhandahålls och vi visar en enkel installation modifiering för att minska avdunstningen. Representativa resultat, inklusive en två livsmedels val analys (kort och lång sikt) och sackaros upptaget av flugor demonstreras. I diskussionen jämföra vi vår beskrivna metoden med alternativa sätt att utföra CAFE analysen och markera eventuella begränsningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rapporten beskriver CAFE-analysen i en steg-för-steg sätt, med fokus på teknisk installation och dess framgångsrika resultat i laboratoriet. På grund av sin enkelhet, kan denna analys även användas utbildningsmässigt som en skola experiment. Exemplen visar att analysen tillåter undersökning av livsmedelsanalys, preferenser och konsumtion i Drosophila melanogaster korta och längre tidsperioder (timmar till dagar). CAFE analys har använts i stor utsträckning i området för att undersöka ämnen inkl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank the past and present members of the Scholz lab for discussion and Helga Döring for excellent technical support. We especially thank the members of the Biocenter workshop of the University of Cologne for their support and creativity. The work is supported by SFB 1340, SysMedAlc, and DAAD-Siemens.
Materials
| Vials (breeding) | Greiner Bio-One | 960177 | www.greinerbioone.com |
| Vials (CAFE assay) | Greiner Bio-One | 217101 | www.greinerbioone.com |
| Lid-CAFE assay | Workshop | – | – |
| Plastic box, low wall | Plastime | 353 | www.plastime.it |
| Cover for the plastic box | Workshop | – | – |
| Capillaries | BLAUBRAND | REF 7087 07 | www.brand.de |
| Pipette tips | Greiner Bio-One | 771290 | www.greinerbioone.com |
| Filter paper circles | Whatman | 10 311 804 | www.sigmaaldrich.com |
| D(+)-Sucrose | AppliChem | 57-50-1 | www.applichem.com |
| Ethanol absolute | VWR Chemicals | 20,821,330 | www.vwr.com |
| Food color (red, E124) | Backfun | 10027 | www.backfun.de |
| Food color (blue, E133) | Backfun | 10030 | www.backfun.de |
| Soap solution (CVK 8) | CVH | 103220 | www.cvh.de |
| Digital caliper | GARANT | 412,616 | www.hoffmann-group.com |
| Vials (breeding) | Height 9.8 cm, diameter 4.8 cm | ||
| Vials (CAFE assay) | Height 8 cm, diameter 3.3 cm | ||
| Lid-CAFE assay | Produced in university workshop, technical drawing supplied | ||
| Plastic box, low wall | A plastic grid inlay was custom-made for 8 x 10 vial positions | ||
| Cover for the plastic box | Dimensions (37 x29 x18 cm) | ||
| Capillaries | DIN ISO 7550 norm, IVD-guideline 98/79 EG, ends polished | ||
| Pipette tips | Pipettes for the outer circle are cut according to the lid | ||
| Filter paper circles | 45 mm diameter works nicely if folded for the vials used | ||
| D(+)-Sucrose | Not harmful | ||
| Ethanol absolute | Highly flammable liquid and vapor | ||
| Food color (red, E124) | Not stated | ||
| Food color (blue, E133) | Not stated | ||
| Soap solution (CVK 8) | Odor neutral soap | ||
| Digital caliper | |||
| Standard fly food | (for 20 L) | ||
| Agar | 160 g | ||
| Brewer`s Yeast | 299.33 g | ||
| Cornmeal | 1200g | ||
| Molasses | 1.6 L | ||
| Propionic acid | 57.3 mL | ||
| Nipagin 30% | 160 mL |
Referências
- Krauth, C., Buser, J., Vogel, K. How high are the costs of eating disorders – anorexia nervosa and bulimia nervosa – for German society. Eur. J. Health Econ. 3 (4), 244-250 (2002).
- Cawley, J., Meyerhoefer, C. The medical costs of obesity and instrumental variables approach. J. Health Econ. 31, 219-230 (2012).
- The costs of eating disorders: Social, health and economic impacts. Assessing the impact of eating disorders across the UK on behalf of BEAT. PwC Available from: https://www.beat.co.uk/assets/000/000/302/The_costs_of_eating_disorders_Final_original.pdf (2015)
- Lenard, N. R., Berthoud, H. R. Central and peripheral regulation of food intake and physical activity: pathways and genes. Obesity. 16, S11-S22 (2008).
- Magni, P., et al. Feeding behavior in mammals including humans. Trends in Comp. Endocrinology and Neurobiology. 1163, 221-232 (2009).
- Morton, G. J., Meek, T. H., Schwartz, M. W. Neurobiology of food intake in health and disease. Nature Reviews Neuroscience. 15, 367-378 (2014).
- Bharuchka, K. N. The epicurean fly: using Drosophila melanogaster to study metabolism. Pediatr. Res. 65 (2), 132-137 (2009).
- Smith, W. W., Thomas, J., Liu, J., Li, T., Moran, T. H. From fat fruit fly to human obesity. Physiol. Behav. 136, 15-21 (2014).
- Rajan, A., Perrimon, N. Of flies and men: insights on organismal metabolism from fruit flies. BMC Biology. 11, (2013).
- Ja, W. W., et al. Prandiology of Drosophila and the CAFE assay. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (20), 8253-8256 (2007).
- Dethier, V. G. . The Hungry Fly: A Physiological Study of the Behavior Associated with Feeding. , (1976).
- Albin, S. D., Kaun, K. R., Knapp, J., Chung, P., Heberlein, U., Simpson, J. H. A subset of serotonergic neurons evokes hunger in adult Drosophila. Curr. Biol. 25, 2435-2440 (2015).
- Deshpande, S. A., et al. Quantifying Drosophila food intake: comparative analysis of current methodology. Nat. Methods. 11 (5), 535-540 (2014).
- Geer, B. W., Olander, R. M., Sharp, P. L. Quantification of dietary choline utilization in adult Drosophila melanogaster by radioisotope methods. J. Insect Physiol. 16, 33-43 (1970).
- Thompson, E. D., Reeder, B. A., Bruce, R. D. Characterization of a method for quantitating food consumption for mutation assays in Drosophila. Environ. Mol. Mutagen. 18, 14-21 (1991).
- Wong, R., Piper, M. D., Wertheim, B., Partridge, L. Quantification of food intake in Drosophila. PLoS One. 4 (6), e6063 (2009).
- Scheiner, R., Steinbach, A., Classen, G., Strudthoff, N., Scholz, H. Octopamine indirectly affects proboscis extension response habituation in Drosophila melanogaster by controlling sucrose responsiveness. J. Insect Physiol. 69, 107-117 (2014).
- Liu, Y., Luo, J., Carlsson, M. K., Nässel, D. R. Serotonin and insulin-like peptides modulate leucokinin-producing neurons that affect feeding and water homeostasis in Drosophila. J. Comp. Neurol. 523, 1840-1863 (2015).
- Ro, J., Harvanek, Z. M., Pletcher, S. D. FLIC: high-throughput, continuous analysis of feeding behaviors in Drosophila. PLoS One. 9 (6), e101107 (2014).
- Itskov, P. M. Automated monitoring and quantitative analysis of feeding behavior in Drosophila. Nat. Commun. 5, 4560 (2014).
- Qi, W., Yang, Z., Lin, Z., Park, J. Y., Suh, G. S. B., Wang, L. A quantitative feeding assay in adult Drosophila reveals rapid modulation of food ingestion by its nutritional value. Mol. Brain. 8, 87 (2015).
- Marx, V. Metabolism: feeding fruit flies. Nat. Methods. 12 (7), 609-612 (2015).
- Spieth, H. T. Courtship behavior in Drosophila. Annu. Rev. Entomol. 19, 385-405 (1974).
- Devineni, A. V., Heberlein, U. Preferential ethanol consumption in Drosophila models features of addiction. Curr. Biol. 19 (24), 2126-2132 (2009).
- Lee, K. P., et al. Lifespan and reproduction in Drosophila: New insights from nutritional geometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (7), 2498-2503 (2008).
- Pohl, J. B., et al. Ethanol preference in Drosophila melanogaster is driven by its caloric value. Alcohol Clin. Exp. Res. 36 (11), 1903-1912 (2012).
- Vargas, M. A., Luo, N., Yamaguchi, A., Kapahi, P. A role for S6 kinase and serotonin in postmating dietary switch and balance of nutrients in D. melanogaster. Curr. Biol. 20 (11), 1006-1011 (2010).
- Masek, P., Scott, K. Limited taste discrimination in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (33), 14833-14838 (2010).
- Pool, A. H., Scott, K. Feeding regulation in Drosophila. Curr. Opin. Neurobiol. 29, 57-63 (2014).
- Luo, J. N., Lushchak, O. V., Goergen, P., Williams, M. J., Nässel, D. R. Drosophila insulin-producing cells are differentially modulated by serotonin and octopamine receptors and affect social behavior. Plos One. 9 (6), e99732 (2014).
