Модель дрозофіли для вивчення кишкової мікробіоти в поведінці та нейродегенеративних захворюваннях. Частина 2

3. Навчена поведінка дрозофіл

За останні 40 років було досягнуто величезного прогресу в дослідженні детальних механізмів, що лежать в основі навчання та пам’яті дрозофіл. У біологічних дослідженнях було використано декілька способів навчання та пам’яті дрозофіл, включаючи нюхову пам’ять, зорову пам’ять, пам’ять місця та пам’ять залицяння [66]. Численні дослідження показали, що мухи можуть навчатися та формувати спогади на основі свого досвіду, і ці спогади можуть зберігатися годинами або днями. Нюхова пам'ять дрозофіли та пам'ять залицяння є двома популярними системами аналізу для вивчення пам'яті в лабораторії. Тут ми в основному зосереджуємося на нюхових спогадах і спогадах про залицяння у дрозофіли.

Нюхова пам’ять дрозофіли означає, що дрозофіла сприймає зовнішнє середовище за допомогою нюху, зберігає цю інформацію в мозку та пригадує цю інформацію, коли це необхідно. Нюхова пам’ять відіграє дуже важливу роль у виживанні дрозофіли, оскільки вона допомагає мусі розпізнавати їжу, партнерів, ворогів тощо. У мозку дрозофіли механізм формування нюхової пам’яті відрізняється від інших типів пам’яті, які могли б краще допомогти ми розуміємо природу пам'яті.

На відміну від людської пам’яті, на нюхову пам’ять плодової мушки не впливають такі фактори, як вік і здоров’я. Команда дослідників виявила в експериментах, що нюхові спогади успішно встановлюються та зберігаються як у молодих, так і у старих плодових мушок. Це показує, що нюхова пам’ять плодової мушки є дуже стабільною формою пам’яті, і навіть можна сказати, що це пам’ять, яку неможливо знищити.

Крім того, формування та збереження нюхової пам’яті у дрозофіли також пов’язане зі способом зв’язку нейронів у їхньому мозку. Дослідники виявили, що нюхову пам’ять можна знищити або посилити, вирізаючи та вставляючи нейрони у плодових мушок. Це показує, що формування та збереження нюхової пам’яті у дрозофіли залежить від зв’язку між нейронами, і цей зв’язок можна регулювати та впливати на нього за допомогою експериментів, таким чином допомагаючи нам краще зрозуміти механізм формування та збереження пам’яті.

Загалом, нюхова пам'ять дрозофіли є дуже специфічною і стабільною формою пам'яті. Це пов’язано з такими факторами, як спосіб зв’язку нейронів у мозку та вплив навколишнього середовища, і може не залежати від віку та стану здоров’я плодової мушки. Ці відкриття дають унікальне розуміння природи пам’яті та можуть зіграти важливу роль у майбутніх медичних застосуваннях і діагностиці. Видно, що нам потрібно покращувати пам'ять. Цистанхе може значно покращити нашу пам'ять, оскільки цистанхе також може регулювати баланс нейромедіаторів, наприклад, підвищувати рівень ацетилхоліну та факторів росту, які дуже важливі для пам'яті та навчання. Крім того, важливо, що м’ясо також може покращити кровообіг і сприяти доставці кисню, що може гарантувати, що мозок отримує достатню кількість живлення та енергії, тим самим покращуючи життєздатність і витривалість мозку.

Клацніть «Знай, як покращити роботу мозку».

3.1. Обумовлення нюхової пам’яті та винагороди

Нюхова пам'ять дрозофіли описана Tempel et al. [4] і Таллі та ін. [5]. Для аверсивного нюхового кондиціонування мухи отримують покарання електричним струмом разом із впливом специфічного запаху (CS+), а потім іншого запаху (CS−) без ураження електричним струмом. Для перевірки пам’яті мух транспортують за допомогою невеликого ліфта в тренувальній машині та дозволяють вибирати між двома запахами (CS+ проти CS−) у Т-подібному лабіринті. У цьому аналізі часто використовуються як 3-октанол (OCT), так і 4-метилциклогексанол (MCH). Індекс ефективності визначається як:

Аналіз пам’яті про винагороду за цукром, описаний у попередніх дослідженнях, подібний до аналізу нюхової пам’яті, а тест про винагороду за водою є модифікацією пам’яті про винагороду за цукром [4,67–70]. У тестах на винагороду за цукор і винагороду за воду голодних і спраглих мух навчають поєднувати запах (CS+) із цукром або водою відповідно.

Перед початком експерименту мух переміщують у флакони, що містять вологий фільтрувальний папір для харчового голодування перед аналізом запам’ятовування цукру, або у флакони, що містять сухий сахарозний фільтрувальний папір для сушіння перед аналізом пам’яті водного винагороди. Для навчання мух переміщують у навчальну пробірку, що містить висушений фільтрувальний папір, і піддають впливу першого запаху (CS−).

Потім мух переміщують в іншу навчальну пробірку, що містить або фільтрувальний папір із сахарози, або фільтрувальний папір для води, а потім піддають впливу другого запаху (CS+). Для тестування мухам дозволяли вибирати між двома запахами в Т-подібному лабіринті, а їх розподіл у пробірках аналізували та представляли як індекс ефективності [68,71].

3.2. Пам'ять про залицяння

Вже спарені самки мух відкидають спроби спалювання самців, що в кінцевому підсумку призводить до зниження поведінки залицяння самців мух. Цей неприємний досвід (відмова від самки) також пригнічує поведінку самця залицяння до незайманої самки [6].

Придушення залицяння самців мухи до незайманої самки після контакту з уже спарованими самками визначається як обумовлення залицяння. Перед тестуванням наївних самців збирають у день виходу та зберігають окремо протягом 4–5 днів. Коли наивні самці стають статевозрілими, їх піддають контакту зі спарованою самкою протягом 1 години, і розраховують індекс залицяння протягом перших (CIinitial) і останніх (CIfinal) 10 хвилин 1-годинного експериментального періоду. Потім досліджуваного самця переміщують на нове місце і піддають впливу обезголовленої незайманої самки на 10 хвилин (тест).

У контрольній групі наивних самців мух тримають окремо в камері протягом 1 години, а потім переносять у нову камеру з обезголовленою незайманою самкою на 10 хвилин (CIsham) [72]. Нарешті, розраховується індекс навчання залицянню та індекс пам’яті. Нижчі індекси навчання та пам'яті вказують на те, що самці мають кращу здатність до навчання та пам'яті. Індекс навчання=CIfinal/CIinitial та індекс пам’яті=CItest/mean CIsham [72].

3.3. Вплив кишкової мікробіоти на пам'ять

Дослідження показали, що мух можна навчити асоціювати запах з покаранням або винагородою [4,5,67,73]. Для нюхової пам’яті проекційні нейрони антенальної частки отримують вхідні дані від нейронів нюхових рецепторів і проектуються на латеральний ріг і MBs у мозку мухи [74]. Примітно, що MB Drosophila є критично важливими для нюхової пам’яті [75,76]. Нейрони MB класифікуються як , 0 0 і нейрони [77].

Blum та ін. показали, що у мух засвоєний досвід формує короткочасну пам’ять у нейронах MB, тоді як довготривала пам’ять формується в нейронах MB [78]. Навпаки, McBride та ін. повідомили, що MB є важливими для консолідації довгострокової пам’яті під час обумовлення залицяння [79]. Інше дослідження показало, що перекривання нейронів MB необхідне для пам’яті про залицяння та нюхової асоціативної пам’яті у дрозофіл [80].

Зростає кількість доказів того, що мікробіом кишечника може певним чином впливати на поведінку тварин [81], а взаємодія між кишечником і мозком є ​​критичною для поведінки [82]. Кілька дослідників вказали на зв’язок між кишковою мікробіотою та навчанням [83] або пам’яттю [84]. Зокрема, були розроблені спеціальні пробіотики для покращення навчання та пам’яті у мишей [85, 86]. У дрозофіл кишкова мікробіота набагато простіша порівняно з іншими тваринами [87].

Плодові мушки є потенційною тваринною моделлю для вивчення впливу кишкової мікробіоти на навчену поведінку; проте є лише розрізнені докази. Нещодавно Silva та ін. повідомили, що аксенічні мухи мають знижену апетитну пам’ять через 24 години після тренування, а аксенічні самці демонструють знижене навчання залицянню та пам’ять [34] (Таблиця 1). Потрібні подальші дослідження, щоб з’ясувати вплив кишкової мікробіоти на навчену поведінку в майбутньому.

4. Старіння та довголіття

Старіння є універсальним біологічним явищем. По суті, старіння — це термін, який використовується для опису зв’язку між прогресуванням хронологічного віку та зниженням фізіологічних функцій, таких як репродуктивна функція, м’язова сила, когнітивні порушення та вікові захворювання [88].

Кілька досліджень використовували тваринні моделі, такі як Caenorhabditis elegans, Drosophila та миші, щоб охарактеризувати молекулярні та фізіологічні зміни, які відбуваються під час старіння [89].

Кишкова мікробіота та старіння дрозофіли

Aging is associated with an increased risk of chronic diseases, including immune system diseases, cancer, neurodegeneration, and dysbiosis [90]. A recent study demonstrated that there are significant differences in the gut microbiota composition between healthy and unhealthy elderly adults (aged >90 років). Здорові люди похилого віку мають більшу кількість Bacteroidetes у кишечнику, які забезпечують більш функціональні шляхи для енергетичного обміну.

Однак нездорові люди похилого віку мають більшу кількість стрептококів та інших патогенних бактерій у кишечнику [91]. Дослідження мікробіоти літніх людей не дуже послідовні через різні внутрішні та зовнішні параметри, пов’язані з кожною людиною; тому необхідні подальші дослідження на тваринних моделях, щоб з’ясувати роль кишкової мікробіоти у старінні.

Як правило, здорова і добре утримана дрозофіла дикого типу, W1118, має середню тривалість життя приблизно 70 днів і максимум приблизно 90 днів при вирощуванні при 25 ◦C [92]. Літні мухи демонструють серйозні вікові зміни поведінки через 21 день після еклозії, такі як вікові порушення опорно-рухового апарату (ARLI), зниження сексуальної активності та репродуктивної поведінки, зниження здатності відчувати холодну температуру, порушення циклів сон-неспання та порушення когнітивних функцій [ 63,93–95]. Ці вікові зміни поведінки пов’язані зі зміною моделі експресії генів. Старіння пов'язане зі змінами в експресії майже 23% генів у дрозофіли, і багато з цих генів пов'язані з реакцією на стрес і розмноженням. Порушена експресія цих генів викликає порушення кількох фізіологічних процесів у літніх мух [96].

У дорослих мух Proteobacteria (Acetobacter і Komagataeibacter) і Firmicutes (Lactobacillus і Leuconostoc) складають основну частину кишкової мікробіоти, особливо в шлунково-подібній області мідних клітин (CCR, також дивіться малюнок 1a), яка контролює розподіл і склад мікробіоти та метаплазія шлункового епітелію через активацію сигналізації JAK/STAT у старіючому кишечнику [97]. Крім того, існує значна різниця в складі кишкової мікробіоти молодих і старих мух.

Серед молодих мух домінуючими видами є Acetobacter persici та L. brevis. Однак A. malorum і L. plantarum в основному присутні в кишечнику старих мух [98]. Дослідження, що з’ясовують вплив кишкової мікробіоти на різних стадіях розвитку дрозофіли, несумісні. Бруммель та ін. виявили, що мухи, вирощені в аксеничних умовах, мають меншу тривалість життя порівняно зі звичайними мухами. Крім того, наявність мікробіоти протягом першого тижня дорослого життя дрозофіли збільшує тривалість життя. Навпаки, наявність мікробіоти в більш пізньому віці зменшує тривалість життя. Автори припустили, що кишкова мікробіота взаємодіє з генами довголіття, щоб модулювати тривалість життя дрозофіл [39].

Всупереч цьому, Catterson et al. показали, що періодичне голодування (ЯКЩО, два дні годування, а потім п’ять днів голодування) може подовжити тривалість життя дрозофіл. Крім того, автори показали, що IF протягом принаймні 30 днів у дорослому віці збільшує тривалість життя. Автори стверджують, що IF підвищує резистентність до окисного та ксенобіотичного стресу, спричинену голодуванням.

Крім того, IF підвищує вміст ліпідів у 60-денних мух. Аналіз кишківника через 40 днів після ІФ виявив значне зменшення вікових патологій, покращення бар’єрної функції кишечника та зменшення кількості бактерій, у тому числі L. plantarum. Я можу діяти незалежно від шляху TOR і значно збільшити тривалість життя. Загалом, у ранньому віці короткочасний IF може спричинити довготривалі сприятливі ефекти, які можуть збільшити довголіття, принаймні частково, шляхом збереження здоров’я кишечника [40].

5. Хвороби Альцгеймера

Хвороба Альцгеймера (БА) виникає внаслідок дегенерації нейронів у мозку. AD характеризується наявністю нейритичних бляшок і нейрофібрилярних клубків, що призводить до накопичення бета-амілоїдного (A) пептиду [99]. Існує дві основні гіпотези, які пояснюють механізм розвитку AD. Перша гіпотеза - це холінергічна гіпотеза.

У 1970-х роках дослідження показали, що неокортикальний і пресинаптичний холінергічний дефіцит пов’язаний з холінацетилтрансферазою (ChAT), ферментом, який бере участь у синтезі ацетилхоліну (ACh). Оскільки ACh є ключовим фактором, що бере участь у регуляції когнітивних функцій, холінергічна гіпотеза припускає, що накопичення β-амілоїду впливає на холінергічну нейротрансмісію та спричиняє зниження поглинання холіну та вивільнення Ach [100,101]. Друга гіпотеза - амілоїдна гіпотеза.

Було помічено, що деградація A зменшується з віком або при різних патологічних станах, що призводить до накопичення пептидів A, що в кінцевому підсумку викликає смерть нейронів [102–104]. Було виявлено кілька факторів ризику AD, таких як старіння, генетичне походження, мутації білка-попередника амілоїду, фактори навколишнього середовища та вплив важких металів [105].

5.1. Кишкова мікробіота та AD у дрозофіли

Пацієнти з AD демонструють знижену кількість L. brevis і Bifidobacterium dentium у кишечнику та зниження рівня ГАМК у ЦНС [106]. Серотонін, інший ключовий нейромедіатор, який регулює когнітивні функції, може синтезуватися кишковими мікробами [15,107]. Окрім дисбалансу нейромедіаторів, нейротоксини також залучені до AD. Недавнє дослідження показало, що нейротоксин -N-метиламіно-L-аланін (BMAA) виробляється ціанобактеріями в кишечнику, що сприяє розвитку AD [106,108]. Проте вплив кишкової мікробіоти на нервові ланцюги та пов’язані з цим механізми при AD залишається неясним. Загалом було розроблено три моделі AD дрозофіли, які дозволили вченим виявити зв’язок між AD та кишковою мікробіотою. До них належать elav-Gal4, модель UAS-BACE/UASAPP, модель GMR-A 42 і elav-Gal4; Модель UAS-A 42 (табл. 1).

5.2. elav-Gal4; Модель UAS-BACE/UAS-APP Fly

Система UAS/Gal4 була використана для розробки моделей мух AD шляхом експресії бета-секретази людини (BACE) або білка-попередника амілоїду (APP) під контролем драйвера elav-Gal4, який експресується саме в нейронах. Ці мухи демонструють підвищене відкладення амілоїду в нейронах, втрату здатності лазити та посилену нейродегенерацію. Нещодавнє дослідження також показало зв’язок між поглинанням кефіру та AD у elavGal4; UAS-BACE/UAS-APP літає. Кефір — це пробіотик, який містить п’ять основних видів бактерій: L. kefiranofaciens (21,96%), L. kefir (0.2%), A. labarum (0.17%), Lactococcus lactis ( 0.004%) і Rickettsiales (0,001%). Основними метаболітами, присутніми в кефірі, є гексан (Hex), дихлорметан (DCM), етилацетат (EtOAc) і n-бутанол (But-OH). Введення кефіру мухам-моделям AD підвищило їх здатність лазити, підвищило рівень виживання та придушило нейродегенерацію. Крім того, хоча чотири метаболіти, присутні в кефірі, могли окремо покращити лазіння у мух AD, лише EtOAc і But-OH змогли продовжити тривалість життя моделі AD Drosophila [41].

Westfall та ін. розробили симбіотичну композицію, що містить L. plantarum NCIMB 8826 (Lp8826), L. fermentum NCIMB 5221 (Lf5221) і Bifidobacteria longum spp. infantis NCIMB 702255 (Bi702255), а також 0,5% порошку TFLA (поліфенольний рослинний екстракт із шлунково-кишкового тоніка Triphala). Лікування elav-Gal4; Мухи UAS-BACE/UAS-APP із цією симбіотичною формулою зменшили експресію інсуліноподібного пептиду (Dilp) дрозофіли, включаючи Dilp2 і Dilp3, а також рецептори Dilp, тоді як він збільшив експресію dFOXO та подвійної оксидази фактора вродженого імунітету, а також сприяв передачі сигналів IMD. Крім того, симбіотична композиція знижувала рівні загальних окислювачів, пригнічувала перекисне окислення ліпідів (ПОЛ) і відновлювала активність комплексів мітохондріального електротранспортного ланцюга (ЕТЦ) у модельних мух AD [42].

5.3. Модель GMR-A 42 Fly

Модель мухи GMR-A 42 AD була розроблена шляхом експресії трансгену A 42 людини під контролем водія скляного мультимерного репортера (GMR)-Gal4, який експресується в клітинах сітківки. Ці мухи демонструють грубий фенотип очей через нейродегенерацію, і ця модель широко використовується для дослідження механізмів, що лежать в основі розвитку AD [109]. Лю та ін. показали, що згодовування L. sakei Probio 65 і L. paracasei 0291 значно зменшувало нейродегенерацію, пов’язану з AD, у модельних мух GMR-A 42 AD [43]. Крім того, Тан та ін. повідомили, що Lactobacillus рятує фенотип грубих очей у мух AD, особливо штаму L. plantarum DR7. L. plantarum DR7 може відновити різноманітність кишкової мікробіоти у модельних мух AD за рахунок збільшення чисельності Stenotrophomonas і Acetobacter, одночасно зменшуючи чисельність Wolbachia [44].

5.4. elav-Gal4; Модель UAS-A 42 Fly

Ця модель AD мух ​​була розроблена шляхом експресії людського A 42 під контролем паннейронального драйвера elav-Gal4. Подібно до інших мух моделі AD, elav-Gal4; Мухи UAS-A 42 демонструють зниження рівня виживання та зниження здатності лазити. Крім того, чисельність родин Acetobacteraceae і Lactobacillaceae зменшується в кишечнику цих мух, особливо Acetobacter і Lactobacillus. Використовуючи GC-MS, було виявлено, що рівні ацетату, який є найпоширенішою коротколанцюговою жирною кислотою (SCFA) у мух, різко знижуються у модельних мух AD [45]. Дослідження in vitro та in vivo продемонстрували, що SCFA відіграють потенційну роль у зниженні рівнів А та пом’якшенні його токсичних ефектів [110,111]. Крім того, кишковий дисбактеріоз, викликаний інфекцією непатогенною ентеробактерією (Ecc15) у дорослих мух, сприяє рекрутуванню гемоцитів у мозок, що призводить до нейродегенерації, опосередкованої TNF-JNK, що призводить до розвитку AD [46].
6. Хвороба Паркінсона

Хвороба Паркінсона (ХП) - це неврологічний розлад, який вражає людей переважно в останні роки життя. Загалом БП рідко спостерігається у осіб віком до 40 років, і за оцінками, це захворювання розвивається приблизно у 1% людей старше 60 років і у 0,3% усього населення [112–114]. . Накопичення β-синуклеїновмісних тілець Леві та втрата дофамінергічних нейронів у чорній субстанції є основними патологічними змінами, що спостерігаються у пацієнтів з ХП. Рухові особливості, які зазвичай спостерігаються у пацієнтів з ХП, включають тремор, ригідність і брадикінезію. Крім того, поширеними немоторними особливостями, що спостерігаються у пацієнтів із БП, є дисфункція сну, вегетативна дисфункція та гіпосмія [115]. Хоча причини, що лежать в основі розвитку БП, досі невідомі, основними факторами ризику є вік, фактори навколишнього середовища та генетика.

6.1. Кишкова мікробіота та PD у дрозофіли

Повідомлялося, що у пацієнтів із хворобою Паркінсона велика кількість Enterobacteriaceae у кишечнику позитивно пов’язана з тяжкістю постуральної нестабільності [46]. Крім того, повідомлялося, що у пацієнтів із ХП надлишок у кишечнику Prevotellaceae, Blautia spp., Coprococcus spp., Roseburia, Faecalibacterium spp. і Prevotella spp. Зменшується, тоді як кількість E. coli, Ralstonia, Lactobacillus, Bifidobacterium, Verrucomicrobiaceae, Bacteroides, Parabacteroides, Akkermansia, Butyricimonas, Veillonella, Odoribacter, Mucispirillum і Bilophila збільшується [12,116–119]. Однак вплив кишкової мікробіоти на патогенез БП залишається неясним. Модель PD Drosophila була використана для дослідження зв’язку між PD та кишковою мікробіотою. Подібно до моделі AD, існує дві модельні системи для вивчення PD у дрозофіли: elav-Gal4; Модель UAS-Synuclein і мутантну модель PINK1 (Таблиця 1), як описано нижче.

6.2. залишити-Gal4; Модель UAS-Synuclein Fly

У хворих на ХП спостерігається множення мутацій (A53T, A30P або E46K) у гені синуклеїну. Моделі Fly PD були розроблені шляхом експресії мутантного -синуклеїну під контролем драйвера elav-Gal4. Ho та ін. використовували мутантний людський білок -синуклеїн A53T під драйвером elav-Gal4 для створення мух із PD-подібними характеристиками. Ці мухи показали втрату дофамінергічних нейронів у дорослому віці та дисфункцію опорно-рухового апарату.
Обробка 3-гідроксибензойною кислотою (3-HBA),3,4-дигідроксибензойною кислотою (3,4-diHBA) і 3-(3- гідроксифеніл)пропіонова кислота (3- HPPA), які є метаболітами фенолової кислоти, пригнічують агрегацію β-синуклеїну in vitro та покращують рухову активність модельних мух із PD. Повідомлялося, що Bacteroides ovatus може перетворювати флаваноли катехін і епікатехін на DHCA, 3, 4-diHBA і 3-HBA. Крім того, B. ovatus, Eggerthella lenta та Escherichia coli можуть виробляти 3-HPPA, 3,4- diHBA та 3-HBA через метаболічні процеси, незалежні від катехіну та епікатехіну. Ці висновки свідчать про те, що кишкова мікробіота може впливати на патогенез БП шляхом модуляції харчових флаванолів [47].

6.3. PINK1 Модель мухи-мутанта

PTEN-індукована кіназа 1 (PINK1), мітохондріальна серин/треонін-протеїнкіназа, що кодується в ядрі, була пов’язана з хворобою хвороби серця. У тваринних моделях з мутаціями гена PINK1 спостерігаються зміни та симптоми, пов’язані з БП, такі як фрагментовані мітохондріальні кристи, підвищена чутливість до окисного стресу, дефекти опорно-рухового апарату та втрата дофамінергічних нейронів [113,120]. Таким чином, PINK1 з мутаціями втрати функції використовується для розробки моделі PD мух. Сю та ін. показали, що мухи з PD із мутаціями PINK1 демонструють скорочену тривалість життя, дефекти лазіння та польоту, дегенерацію літальних м’язів і втрату дофамінергічних нейронів. Було показано, що сполука епігалокатехін-3-галат (EGCG), основний поліфенол, присутній у зеленому чаї, може зменшити симптоми хвороби Паркінсона. Крім того, EGCG може відновити різноманітність мікробіоти мух PD, зменшивши кількість протеобактерій у кишечнику та збільшуючи кількість Firmicutes і Bacteroidetes у кишечнику. Більше того, у мух, які страждають на PD, кількість бактерій Lactobacillus і Acetobacter у кишківнику збільшена, але в групах лікування EGCG це зменшило кількість Acetobacter і L. plantarum і врятувало локомоторні дефекти. Більше того, збільшення чисельності L. plantarum у мух, оброблених EGCG, знижувало ефективність цього поліфенолу. Таким чином, EGCG забезпечує нейропротекторію, впливаючи на кишкову мікробіоту мух, що страждають на PD [48].

7. Розлад аутистичного спектру

Розлад аутистичного спектру (РАС) — це розлад нервової системи, який проявляється в ранньому дитинстві. Він характеризується складними поведінковими фенотипами та дефіцитом як соціальних, так і когнітивних функцій; однак точна причина РАС досі невідома [121,122]. Останніми роками було виявлено зв’язок між генетичними факторами та РАС, включаючи варіацію кількості копій, однонуклеотидні поліморфізми та епігенетичні зміни. Окрім генетики, ключову роль у розвитку РАС також відіграють фактори навколишнього середовища, такі як забруднювачі повітря та пестициди [122,123]. Нещодавно модель Drosophila була використана для вивчення взаємозв’язку між РАС і ремоделюванням хроматину, посттранскрипційною регуляцією, синтезом/деградацією білка та молекулами клітинної адгезії [124]. POGZ кодує гетерохроматиновий білок 1 -зв’язуючий білок, який є критичним для ремоделювання хроматину в людини. Вважається, що POGZ функціонує як регулятор транскрипції, який є вирішальним для функцій нейронів [125]. Пониження регуляції ряду, ортолога POGZ дрозофіли, у нейронах призводить до дефіциту звикання, що є формою неасоціативного навчання [125]. Еухроматингістонметилтрансфераза (EHMT) є ще одним прикладом гена ризику РАС, пов’язаного з ремоделюванням хроматину [126–128]. Втрата EHMT у дрозофіли призводить до дефіциту навчання та пам’яті, а також до значного зменшення числа дендритних кінців, розгалуження вищого порядку та складності дендритного поля [129].

Останні дослідження показують, що білки сімейства KDM5 є вирішальними для РАС. Білки родини KDM5 є гістондеметилазами, які регулюють модифікацію гістону H3K4me3, яка асоціюється з промоторами транскрипційно активних генів [130,131]. Повідомлялося про мутації втрати функції в білках сімейства KDM5 у пацієнтів з РАС [132,133]. Крім того, миші з нокаутом kdm5c також демонструють аномальне навчання та соціальну поведінку через знижену щільність хребта [134,135]. Мухи, що несуть мутант людини kdm5c (kdm5A512P), демонструють дефекти навчання та пам’яті [136]. Крім того, ці мухи демонструють поведінкові дефекти та зміни рівня транскрипції, які подібні до мутантного алеля, який скасовує активність деметилази. Ці дослідження показують, що білки сімейства KDM5 мають вирішальне значення для навчання, пам’яті та соціальної поведінки їхньої ферментативної функції для активації генів [136].

Кілька поведінкових аналізів можна використовувати для вивчення РАС на моделі дрозофіли. Аналіз соціального простору був спочатку розроблений Simon et al. для вивчення РАС у дорослих мух [137]. Цей аналіз проводиться в тестовій камері з двома квадратними скляними пластинами (18 × 18 см), розділеними прокладкою 0.5 см, що дозволяє мухам перебувати в просторі. Внутрішній простір має трикутну форму з висотою та основою 15,3 см кожна. Мухи поміщаються на дно камери, і всі мухи починають підніматися вгору з однієї вихідної точки внизу. Через 20 хв за допомогою камери вимірюється відстань між найближчими сусідами [137]. Окрім аналізу соціального простору, аналіз активності дрозофіли також широко використовується на модельних мухах з РАС [138].

Чен та ін. припустив, що білки KDM5 впливають на соціальну поведінку, регулюючи склад кишкової мікробіоти [49]. У людини родина KDM5 складається з чотирьох членів, тоді як у дрозофіли присутній лише один ортолог KDM5 [139]. Чен та ін. створили мух із дефіцитом kdm5- і показали, що втрата kdm5 призводить до дисфункції кишкового бар’єру та змін у соціальній поведінці. Крім того, дефіцит KDM5 у тканинах кишечника змінив склад мікробіоти, що призвело до дефектів кишкового бар’єру. Проте введення пробіотика Lactobacillus або антибіотика мухам з дефіцитом kdm5- частково врятувало поведінкові та клітинні фенотипи та подовжило тривалість життя (таблиця 1). Крім того, KDM5 транскрипційно регулює сигнальний шлях імунної недостатності (IMD) і підтримує бактеріальний гомеостаз залежним від деметилази способом [134]. Ці дослідження показують, що націлювання на кишкову мікробіоту може бути можливим клінічним терапевтичним підходом до лікування пацієнтів з розладом аутичного спектру з аномальним сигналом IMD [49].

8. Висновки

Оскільки дрозофіла містить просте мікробне співтовариство кишечника, легко зрозуміти механізми, за допомогою яких вісь мікробіота-кишечник-мозок впливає на складну поведінку тварин. Крім того, було розроблено кілька моделей нейродегенеративних захворювань на мухах, що дозволяє вченим досліджувати зв’язок між кишковими мікробами та нейронними розладами, що може прокласти шлях до трансляційних досліджень пробіотиків.

Цей огляд підкреслює важливість нещодавніх висновків щодо зв’язку між кишковою мікробіотою та функціями нейронів, поведінкою та нейродегенеративними захворюваннями в моделі дрозофіли. Мікробіота кишечника впливає на температурну стійкість, поведінку уві сні, рухову активність, стратегію хазяїна-непородного походження та агресивну поведінку, що є вродженою поведінкою. Хоча існують деякі протиріччя щодо зв’язку між кишковою мікробіотою та поведінкою, ми припускаємо, що ці відмінності можуть бути пов’язані з різними генотипами господаря та дієтами, які використовувалися в різних дослідженнях. Проте дослідження сну та рухової поведінки дрозофіли дають нам підказки про те, що кишкова мікробіота діє як нейромодулятор нейронних кіл [34].

Зв’язок між навченою поведінкою та кишковою мікробіотою залишається недостатньо вивченим. Сільва та ін. повідомили, що кишкова мікробіота впливає на апетитну довготривалу пам’ять, навчання залицянням і довготривалу пам’ять залицянь [34]. Хоча роль осі мікробіота-кишечник-мозок у старінні залишається незрозумілою, ми дізналися від плодових мушок, що зміни в способі життя або дієті можуть збільшити тривалість життя [40]. Крім того, дослідження на моделях мух показують, що вживання молока з кефіром і прийом симбіотичних складів або пробіотичних добавок зменшує симптоми AD [41,42,44].

Сприятливий вплив пробіотичних добавок і зеленого чаю, що містить EGCG, на симптоми ХП було продемонстровано на мухах [116,118]. У майбутніх дослідженнях пріоритетом буде розробка нових експериментальних установок, які сприятимуть асептичним умовам для жорсткого контролю та точного маніпулювання кишковою мікробіотою плодових мушок [34]. Ми вважаємо, що модель дрозофіли може допомогти нам зрозуміти принцип, який лежить в основі осі мікробіота–кишечник–мозок, і незабаром визначити потенційні пробіотики наступного покоління (NGP).

Авторські внески:

Концепція або дизайн цієї роботи: C.-HL і C.-LW; Написання рукопису: M.-HC, S.-MH, H.-YW, Y.-CL, C.-HL та C.-LW; Підготовка рисунків і таблиць: M.-HC і S.-MH; Пропозиції та обговорення: W.-HT і TW; Остаточне затвердження: всі автори. M.-HC та S.-MH однаково сприяли цій роботі. Усі автори прочитали та погодилися з опублікованою версією рукопису.

Фінансування:

Це дослідження було профінансовано грантами Наукового парку, Міністерства науки і технологій (109CB01), Міністерства науки і технологій (109-2326-B-182-001-MY3, 109-2320-B{{6} }MY3 і 109-2320-B-182-029-MY3), Меморіальний госпіталь Чанг Гун (CMRPD1K0311-2, CMRPD1K0361 і BMRPC75) і проект «Паросток вищої освіти», що фінансується Міністерством науки і технологій та Міністерство освіти.

Подяки:

Автори хотіли б подякувати редактору та рецензентам за їх редакційну допомогу та цінні коментарі. Ми дякуємо членам лабораторій CH Lai та CL Wu за їхні критичні коментарі щодо цього рукопису.

Конфлікт інтересів:

Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів. Спонсори не брали участі в розробці дослідження; у зборі, аналізі чи інтерпретації даних; у написанні рукопису або в рішенні опублікувати результати.

Список літератури

Конопка Р.Я.; Бензер, С. Годинникові мутанти Drosophila melanogaster. Proc. Natl. акад. Sci. США 1971, 68, 2112–2116. [CrossRef]

2. Доу, Массачусетс; Schilcher, FV Агресія та успіх спаровування у Drosophila melanogaster. Nature 1975, 254, 511–512. [CrossRef] [PubMed]

3. Холл Дж. С. Спарювання мухи. Наука 1994, 264, 1702–1714. [CrossRef] [PubMed]

4. Темпель, Б.Л.; Боніні, Н.; Доусон, ДР; Куінн, В. Г. Нагорода за навчання у нормальних і мутантних дрозофіл. Proc. Natl. акад. Sci. США 1983, 80, 1482–1486. [CrossRef] [PubMed]

5. Таллі, Т.; Куінн, В. Г. Класичне кондиціонування та утримання в нормальному та мутантному Drosophila melanogaster. J. Comp. фізіол. 1985, 157, 263–277. [CrossRef] 6. Siegel, RW; Холл, Дж. К. Умовні реакції в поведінці залицяння нормальної та мутантної дрозофіли. Proc. Natl. акад. Sci. США 1979, 76, 3430–3434. [CrossRef]

7. Феані М.Б.; Bender, WW Модель хвороби Паркінсона на дрозофілі. Nature 2000, 404, 394–398. [CrossRef]

8. Коуен, CM; Пастух, Д.; Mudher, A. Інсайти моделей хвороби Альцгеймера у дрозофіли. біохім. Соц. пер. 2010, 38, 988–992. [CrossRef]

9. Вт, NT; Dat, TQ; Ly, LL; Анх В.Д.; Yoshida, H. Insights з моделі Drosophila melanogaster хвороби Альцгеймера. Фронт. Biosci. 2020, 25, 134–146. [CrossRef]

10. О'Хара, AM; Шанахан, Ф. Кишкова флора - це забутий орган. EMBO Rep. 2006, 7, 688–693. [CrossRef]

11. Фунг, TC; Олсон, Каліфорнія; Hsiao, EY Взаємодія між мікробіотою, імунною та нервовою системами в здоров'ї та хворобі. Нац. Неврологія. 2017, 20, 145–155. [CrossRef] [PubMed]

12. Лінь, CH; Чен, CC; Чіанг, HL; Liou, JM; Чанг, CM; Лу, Т.П.; Чуан, Е.Й.; Тай, Ю.К.; Cheng, C.; Лін, HY; та ін. Змінена мікробіота кишечника та запальні цитокінові реакції у пацієнтів із хворобою Паркінсона. J. Neuroinflamm. 2019, 16, 129. [CrossRef] [PubMed]

13. Де Пальма, Г.; Лінч, доктор медичних наук; Лу, Дж.; Данг, В.Т.; Денг, Ю.; Журі, Дж.; Уме, Г.; Міранда, П.М.; Піграу Пастор, М.; Сідані, С.; та ін. Трансплантація фекальної мікробіоти від пацієнтів із синдромом подразненого кишечника змінює функцію кишечника та поведінку мишей-реципієнтів. Sci. переклад Мед. 2017, 9, eaaf6397. [CrossRef] [PubMed]

14. Сяо, Е.Ю.; Макбрайд, SW; Сянь, С.; Шарон, Г.; Гайд, ER; Маккью, Т.; Коделлі, Я.; Чоу, Дж.; Рейсман, С.Е.; Петросіно, Я.Ф.; та ін. Мікробіота модулює поведінкові та фізіологічні аномалії, пов’язані з розладами нервового розвитку. Cell 2013, 155, 1451–1463. [CrossRef] [PubMed]

15. Strandwitz, P. Модуляція нейромедіаторів кишковою мікробіотою. Brain Res. 2018, 1693, 128–133. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com