ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ ЛИЧИНКОВОЇ СТАДІЇ РОЗВИТКУ НА ЕКСПРЕСІЮ ГЕНІВ HSP70, INR, SIRT1, MTOR ТА FOXO У САМЦІВ І САМОК DROSOPHILA MELANOGASTER
DOI: 10.17721/1728.2748.2024.96.15-23
Ключові слова:
Тривалість життя, Drosophila melanogaster, личинкова стадія розвитку, температура, експресія.Анотація
Вступ. Незважаючи на прогрес у розумінні явища старіння, ключові фактори, що впливають на цей процес, залишаються недостатньо вивченими. Старіння, як генетично запрограмована сукупність подій, веде до структурних та функціональних змін, що скорочують тривалість життя організму. Актуальність дослідження полягає у розширенні розуміння впливу факторів оточуючого середовища, зокрема температури, на ранніх етапах розвитку на тривалість життя дорослих особин, використовуючи Drosophila melanogaster як модельний об'єкт. Метою роботи було визначення та аналіз рівня експресії генів, асоційованих із тривалістю життя у D. melanogaster – Hsp70, InR, Sirt1, mTor та foxo – у мух, вирощених за різних температур личинкової стадії розвитку.
Методи. Личинок утримували за різних температур, після чого у дорослих мух визначали рівень експресії генів за допомогою кількісної ПЛР з детекцією результатів у режимі реального часу. Відносний рівень експресії розраховували за допомогою методу 2-ΔΔСt . Статистична достовірність отриманих даних була оцінена за допомогою ANOVA-тесту з подальшим апостеріорним парним множинним порівнянням Tukey's HSD. Відмінності вважалися значущими при p˂0,05.
Результати. Температура личинкової стадії розвитку статистично достовірно не впливала на експресію генів самців імаго. Водночас, для самок спостерігалось суттєве статистично достовірне підвищення експресії генів Hsp70, InR, Sirt1 та mTor у особин, личинковий розвиток яких проходив за температури 20°C та 30°C, порівняно з контролем 25°C.
Висновки. Підвищений рівень експресії досліджених нами генів під впливом критичних температурних умов свідчить про індукцію генералізованої стресової відповіді, яка не корелювала зі збільшенням тривалості життя. Виявлення статевої відмінності у патернах генної експресії вимагають подальшого дослідження з метою розкриття молекулярних механізмів, що лежать в її основі.
Посилання
Караман, Г.С., Вайсерман, О.М., Писарук, А.В., Кошель, Н.М., Мє- хова, Л.В., & Козерецька І.А. (2018). Вплив температури на личинковій стадії розвитку на тривалість життя Drosophila melanogaster. Фактори експериментальної еволюції організмів, 22, 51–55. https://doi.org/ 10.7124/FEEO.v22.923
Alic, N., Giannakou, M.E., Papatheodorou, I., Hoddinott, M.P., Andrews, T.D., Bolukbasi, E., & Partridge, L. (2014). Interplay of dFOXO and Two ETS- Family Transcription Factors Determines Lifespan in Drosophila melanogaster. PLoS Genetics, 10(9), e1004619. https://doi.org/10.1371/ journal.pgen.1004619
Altintas, O., Park, S., & Lee, S.J. (2016). The role of insulin/IGF-1 signaling in the longevity of model invertebrates, C. elegans and D. melanogaster. BMB reports, 49(2), 81–92. https://doi.org/10.5483/ bmbrep.2016.49.2.261
Ayar, A., Uysal, H., Altun, D., & Aşkin, H. (2019). The Effects of Heat Shock on the Longevity in Some Strains of Drosophila melanogaster (Diptera: Drosophilidae). Journal of Applied Biological Sciences, 6(1), 45–49.
Banerjee, K.K., Ayyub, C., Sengupta, S., & Kolthur-Seetharam, U. (2012). dSir2 deficiency in the fatbody, but not muscles, affects systemic insulin signaling, fat mobilization and starvation survival in flies. Aging (Albany NY). 4(3), 206–223. https://doi.org/10.18632/aging.100435
Bateson, P. (2015). Why are individuals so different from each other? Heredity (Edinburgh), 115(4), 285–292. https://doi.org/10.1038/hdy.2014.103 Burnett, C., Valentini, S., Cabreiro, F., Goss, M., Somogyvári, M., Piper, M.D.,
Hoddinott, M., Sutphin, G.L., Leko, V., McElwee, J.J., Vazquez- Manrique, R.P., Orfila, A.M., Ackerman, D., Au, C., Vinti, G., Riesen, M., Howard, K., Neri, C., Bedalov, A., Kaeberlein, M., Soti, C., Partridge, L., & Gems, D. (2011). Absence of effects of Sir2 overexpression on lifespan in C. elegans and Drosophila. Nature, 477(7365), 482–5. https://doi.org/ 10.1038/nature10296
Chandegra, B., Tang, J.L.Y., Chi, H., & Alic. N. (2017). Sexually dimorphic effects of dietary sugar on lifespan, feeding and starvation resistance in Drosophila, Aging (Albany NY), 9(12), 2521–2528. https://doi.org/10.18632/aging.101335
Chattopadhyay, D., Chitnis, A., Talekar, A., Mulay, P., Makkar, M., James, J., & Thirumurugan, K. (2017). Hormetic efficacy of rutin to promote longevity in Drosophila melanogaster. Biogerontology, 18(3), 397–411. https://doi.org/10.1007/s10522-017-9700-1
Chauhan, V., Anis, A., & Chauhan, A. (2021). Effects of starvation on the levels of triglycerides, diacylglycerol, and activity of lipase in male and female Drosophila melanogaster. Journal of Lipids, 2021, 5583114, https://doi.org/10.1155/2021/5583114
de Magalhães, J.P. (2012). Programmatic features of aging originating in development: aging mechanisms beyond molecular damage? Federation of American Societies for Experimental Biology journal, 26(12), 4821–4826. https://doi.org/10.1096/fj.12-210872
Demontis, F., & Perrimon, N. (2010). FOXO/4E-BP signaling in Drosophila muscles regulates organism-wide proteostasis during aging. Cell, 143(5), 813–825. https://doi.org/10.1016/j.cell.2010.10.007
Donovan, M.R., & Marr, M.T. (2016). dFOXO Activates Large and Small Heat Shock Protein Genes in Response to Oxidative Stress to Maintain Proteostasis in Drosophila. The Journal of biological chemistry, 291(36), 19042–50. https://doi.org/10.1074/jbc.M116.723049
Dutriaux, A., Godart, A., Brachet, A., & Silber, J. (2013). The Insulin Receptor Is Required for the Development of the Drosophila Peripheral Nervous System. PLoS ONE, 8(9), e71857. https://doi.org/10.1371/ journal.pone.0071857
Eijkelenboom, A., & Burgering, B.M. (2013). FOXOs: signalling integrators for homeostasis maintenance. Nature reviews. Molecular cell biology, 14(2), 83–97. https://doi.org/10.1038/nrm3507
Eleftherianos, I., & Castillo, J.C. (2012). Molecular Mechanisms of Aging and Immune System Regulation in Drosophila. International Journal of Molecular Sciences, 13(8), 9826–9844. https://doi.org/10.3390/ijms13089826
Feder, J. H., Rossi, J. M., Solomon, J., Solomon, N., & Lindquist, S. (1992). The Consequences of Expressing Hsp70 in Drosophila Cells at Normal Temperatures. Genes & Development, 6, 1402–1413. https://doi.org/10.1101/gad.6.8.1402
Frankel, S., Ziafazeli, T., & Rogina, B. (2011). dSir2 and longevity in Drosophila. Experimental Gerontology, 46(5), 391–396. https://doi.org/10.1016/ j.exger.2010.08.007
Ganger, M.T., Dietz, G.D. & Ewing, S.J. (2017). A common base method for analysis of qPCR data and the application of simple blocking in qPCR experiments. BMC Bioinformatics, 18(1), 534. https://doi.org/10.1186/ s12859-017-1949-5
Giannakou, M.E., Goss, M., Jünger, M.A., Hafen, E., Leevers, S.J., & Partridge, L. (2004). Long-lived Drosophila with overexpressed dFOXO in adult fat body. Science, 305(5682), 361. https://doi.org/10.1126/ science.1098219
Gong, W. J., & Golic, K. G. (2006) Loss of Hsp70 in Drosophila is pleiotropic, with effects on thermotolerance, recovery from heat shock and neurodegeneration. Genetics 172: 275–286. https://doi.org/10.1534/ genetics.105.048793
Griswold, A.J., Chang, K.T., Runko, A.P., Knight, M.A., & Min, K.T. (2008). Sir2 mediates apoptosis through JNK-dependent pathways in Drosophila. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(25), 8673–8. https://doi.org/10.1073/ pnas.0803837105
Hochberg, Z., Feil, R., Constancia, M., Fraga, M., Junien, C., Carel, J.C., Boileau, P., Le Bouc, Y., Deal, C.L., Lillycrop, K., Scharfmann, R., Sheppard, A., Skinner, M., Szyf, M., Waterland, R.A., Waxman, D.J., Whitelaw, E., Ong, K., & Albertsson-Wikland, K. (2011). Child health, developmental plasticity, and epigenetic programming. Endocrine reviews, 32(2), 159–224. https://doi.org/10.1210/er.2009-0039
Hwangbo, D.S., Gershman, B., Tu, M.P., Palmer, M., & Tatar, M. (2004). Drosophila dFOXO controls lifespan and regulates insulin signalling in brain and fat body. Nature, 429(6991), 562–566. https://doi.org/10.1038/ nature02549
Kapahi, P., Zid, B.M., Harper, T., Koslover, D., Sapin, V., & Benzer, S. (2004). Regulation of lifespan in Drosophila by modulation of genes in the TOR signaling pathway. Current biology, 14(10), 885–890. https://doi.org/ 10.1016/j.cub.2004.03.059
Karpac, J., Biteau, B., & Jasper, H. (2013). Misregulation of an adaptive metabolic response contributes to the age-related disruption of lipid homeostasis in Drosophila, Cell reports, 4(6), 1250-1261. https://doi.org/ 10.1016/j.celrep.2013.08.004
Khazaeli, A. A., Tatar, M., Pletcher, S. D., & Curtsinger, J. W. (1997). Heatinduced longevity extension in Drosophila. I. Heat treatment, mortality, and thermotolerance. The journals of gerontology. Series A, Biological sciences and medical sciences, 52, B48–B52. https://doi.org/10.1093/ gerona/52A.1.B48
Lin, Y.C., Zhang, M., Chang, Y.J., & Kuo, T.H. (2023). Comparisons of lifespan and stress resistance between sexes in Drosophila melanogaster. Heliyon, 9(8), 18178. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e18178
Lucas, A. (1998). Programming by early nutrition: An experimental approach. The Journal of nutrition, 128(2), 401–406. https://doi.org/10.1093/ jn/128.2.401S
Lushchak, O.V., Karaman, H.S., Kozeretska, I.A., Koliada, A.K., Zabuga, O.G., Pisaruk, A.V., Koshel, N.M., Mechova, L.V., Inomistova, M.V., Khranovska, N.M., & Vaiserman, A.M. (2018). Larval crowding results in hormesis-like effects on longevity in Drosophila: timing of eclosion as a model. Biogerontology, 20(2), 191–201. https://doi.org/10.1007/s10522-018-9786-0
Mołoń, M., Dampc, J., Kula-Maximenko, M., Zebrowski, J., Mołoń, A., Dobler, R., Durak, R., & Skoczowski, A. (2020). Effects of temperature on lifespan of Drosophila melanogaster from different genetic backgrounds: Links between metabolic rate and longevity. Insects, 11(8), 470. https://doi.org/10.3390/insects11080470.
Monaghan, P., & Haussmann, M.F. (2015). The positive and negative consequences of stressors during early life. Early human development, 91(11), 643–647. https://doi.org/10.1016/j.earlhumdev.2015.08.008
Niveditha, S., Deepashree, S., Ramesh, S.R., & Shivanandappa, T. (2017). Sex differences in oxidative stress resistance in relation to longevity in Drosophila melanogaster. Journal of comparative physiology, 187(7), 899–909. https://doi.org/10.1007/s00360-017-1061-1
Oldham, S., Montagne, J., Radimerski, T., Thomas, G., & Hafen, E. (2000). Genetic and biochemical characterization of dTOR, the Drosophila homolog of the target of rapamycin. Genes & development, 14(21), 2689– 94. https://doi.org/10.1101/gad.845700
Pomatto, L.C.D., Tower, J., & Davies, K.J.A. (2017). Sexual Dimorphism and Aging Differentially Regulate Adaptive Homeostasis. The journals of gerontology. Series A, Biological sciences and medical sciences, 73(2), 141–149. https://doi.org/10.1093/gerona/glx083
Projecto-Garcia, J., Biddle, J.F., & Ragsdale, E.J. (2017). Decoding the architecture and origins of mechanisms for developmental polyphenism. Current opinion in genetics & development, 47, 1–8. https://doi.org/10.1016/ j.gde.2017.07.015
Rogina, B. (2011). For the special issue: aging studies in Drosophila melanogaster. Experimental gerontology, 46(5), 317–319. https://doi.org/ 10.1016/j.exger.2010.09.001
Rogina, B., & Helfand, S.L. (2004). Sir2 mediates longevity in the fly through a pathway related to calorie restriction. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(45), 15998– 6003. https://doi.org/10.1073/pnas.0404184101
Sarup, P., Sørensen, P., & Loeschcke, V. (2014). The long-term effects of a life-prolonging heat treatment on the Drosophila melanogaster transcriptome suggest that heat shock proteins extend lifespan. Experimental gerontology, 50, 34–39. https://doi.org/10.1016/ j.exger.2013.11.017
Slack, C., Giannakou, M.E., Foley, A., Goss, M., & Partridge, L. (2011). dFOXO-independent effects of reduced insulin-like signaling in Drosophila. Aging Cell, 10(5), 735–748. https://doi.org/10.1111/j.1474-9726.2011.00707.x
Tatar, M. (2021). Aging Regulated Through a Stability Model of Insulin/Insulin Growth Factor Receptor Function. Frontiers in endocrinology, 12, 649880. https://doi.org/10.3389/fendo.2021.649880
Tatar, M., Khazaeli, A. A., & Curtsinger, J. W. (1997). Chaperoning extended life. Nature, 390(6655), 30. https://doi.org/10.1038/36237
Tatar, M., Kopelman, A., Epstein, D., Tu, M.P., Yin, C.M., & Garofalo, R.S. (2001). A mutant Drosophila insulin receptor homolog that extends life-span and impairs neuroendocrine function. Science, 292(5514), 107–110. https://doi.org/10.1126/science.1057987
Vaiserman, A. (2015). Epidemiologic evidence for association between adverse environmental exposures in early life and epigenetic variation: a potential link to disease susceptibility? Clinical epigenetics, 7(1), 96, https://doi.org/10.1186/s13148-015-0130-0
Vaiserman, A., Koliada, A., & Lushchak, O. (2018). Developmental programming of aging trajectory. Ageing research reviews, 47, 105–122. https://doi.org/10.1016/j.arr.2018.07.007
Vaiserman, A., Koliada, A., & Zabuga, O. (2014) Effect of dietary restriction during development on the level of expression of longevity- associated genes in Drosophila melanogaster. Advances in Gerontology, 4(3), 193–196. https://doi.org/10.1134/S2079057014030096
Vaiserman, A.M. (2014). Early-life nutritional programming of longevity. Journal of developmental origins of health and disease, 5(5), 325–338. https://doi.org/10.1017/S2040174414000294
Walker, R.F. (2011). Developmental theory of aging revisited:focus on causal and mechanistic links between development and senescence. Rejuvenation research, 14(4), 429–436. https://doi.org/10.1089/rej.2011.1162
Welte, M. A., Tetrault, J. M., Dellavalle, R. P., & Lindquist, S. L. (1993). A New Method for Manipulating Transgenes – Engineering Heat Tolerance in a Complex, Multicellular Organism. Current biology, 3, 842–853. https://doi.org/10.1016/0960-9822(93)90218-D
Wheeler, J. C., V. King, & J. Tower, (1999). Sequence requirements for upregulated expression of Drosophila hsp70 transgenes during aging. Neurobiology of aging, 20, 545–553. https://doi.org/10.1016/S0197-4580(99)00088-3
Xiao, C., Hull, D., Qiu, S., Yeung, J., Zheng, J., Barwell, T., Robertson, R.M., & Seroude, L. (2019). Expression of Heat Shock Protein 70 Is Insufficient To Extend Drosophila melanogaster Longevity. G3: genes – genomes – genetics, 9(12), 4197–4207. https://doi.org/10.1534/g3.119.400782
Yamamoto, R., Palmer, M., Koski, H., Curtis-Joseph, N., & Tatar, M. (2021). Aging modulated by the Drosophila insulin receptor through distinct structure-defined mechanisms. Genetics, 217(2), iyaa037. https://doi.org/ 10.1093/genetics/iyaa037
