Партньорски център за изследване на стареенето, Университетски колеж в Лондон, Департамент по биология, Лондон, Великобритания

удължаването

Партньорски център за изследване на стареенето, Университетски колеж в Лондон, Департамент по биология, Лондон, Великобритания

* До кого трябва да се адресира кореспонденция. Имейл: [email protected]

Партньорски център за изследване на стареенето, Университетски колеж в Лондон, Департамент по биология, Лондон, Великобритания

  • Уилям Мейр,
  • Матю Д. Ш Пайпър,
  • Линда Партридж

Фигури

Резюме

Диетичните ограничения (DR) удължават продължителността на живота на различни организми, включително бозайници, и може да работят общи механизми. DR често е известен като ограничаване на калориите, тъй като се предполага, че намаляването на калориите, а не на определени хранителни вещества в диетата, медиира удължаването на живота на гризачите. Тук демонстрираме, че удължаването на продължителността на живота от DR при дрозофила не се дължи на намаляването на приема на калории. Намаляването на хранителни дрожди или захар може да намали смъртността и да удължи продължителността на живота, но с количество, което не е свързано с калоричното съдържание на храната, а маята има много по-голям ефект на калория, отколкото захарта. Следователно приемът на калории не е ключовият фактор за намаляването на смъртността от DR при този вид.

Цитат: Mair W, Piper MDW, Partridge L (2005) Калориите не обясняват удължаването на продължителността на живота чрез диетични ограничения при дрозофила. PLoS Biol 3 (7): e223. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0030223

Академичен редактор: Томас Къркууд, Университет в Нюкасъл на Тайн, Великобритания

Получено: 20 декември 2004 г .; Прието: 21 април 2005 г .; Публикувано: 31 май 2005 г.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Съкращения: CI, доверителен интервал; DR, диетично ограничение; SY, захарна мая

Въведение

Диетичните ограничения (УД), удължаването на продължителността на живота чрез намаляване на приема на хранителни вещества без недохранване, често се използват като сравнително сравнение за интервенции, които удължават продължителността на живота [1–3]. След пионерските експерименти на McCay върху плъхове преди 70 години [4], е доказано, че някаква форма на ограничаване на храната увеличава продължителността на живота при често използвани моделни организми като дрожди [5,6], нематоди [7], плодови мухи [8,9 ] и мишки [10], заедно с много видове, по-рядко използвани за лабораторни изследвания като водни бълхи, паяци, риби (вж. [3] за преглед) и кучета [11]. Предварителните данни също така предполагат, че DR може да удължи продължителността на живота при нечовешки примати [12,13] и потенциално да даде ползи за здравето на хората [14]. Въпреки констатацията, че ограничаването на диетата увеличава дълголетието при такова разнообразие от видове, отговорните механизми остават напълно изяснени при всеки от тях. Следователно все още не е ясно дали тези механизми са еволюционно запазени в рамките на таксоните или вместо това удължаването на живота по време на DR е пример за конвергентна еволюция.

DR често се нарича „ограничаване на калориите“, тъй като при гризачите дневният прием на калории сам по себе си е замесен като ключов определящ фактор за продължителността на живота, като източникът на тези калории (т.е. въглехидрати, протеини или мазнини) се счита за без значение [1 ]. Доказателства за тази гледна точка идват от два вида експерименти върху плъхове: (1) ограничаването на приема на калории без намаляване на приема на протеини води до удължаване на живота [15]; (2) не се наблюдава удължаване на продължителността на живота при плъхове, хранени с изокалорични диети, при които или мастните, или минералните компоненти са били намалени [16]. При други експерименти обаче плъхове, хранени с изокалорични диети с променен хранителен състав [17,18] или намален протеин [19], показват удължаване на живота. Освен това, намаляването само на една аминокиселина (метионин) увеличава продължителността на живота както на мишките (R. Miller, лична комуникация), така и на плъховете [20]. Следователно изглежда, че намаляването на нивото на погълнатите калории не винаги може да бъде от решаващо значение за удължаването на живота от DR при гризачи. Тук разглеждаме този проблем в плодовата муха Drosophila melanogaster.

Резултати

DR може да се прилага в дрозофила чрез едновременно разреждане на хранителните вещества в стандартна хранителна среда със захарна мая (SY) [9], в която дрождите са единственият източник на протеини и липиди. Тъй като концентрацията на храна намалява от максималната, продължителността на живота първо се увеличава в отговор на DR, като става най-голяма при междинна концентрация на храна, преди да намалее поради гладуване при по-ниски концентрации [9,21]. Тествахме отделните ефекти на захарта и дрождите върху продължителността на живота при концентрации, които увеличават максимално продължителността на живота (DR) и при пълно хранене (контрол).

Скорост на хранене на мухи с различни видове храни

Тъй като мухите могат да реагират на промените в диетичния състав, като променят поведението си при хранене, като по този начин потенциално компенсират, ние определихме ефекта от състава на храната върху времето, което мухите прекарваха да се хранят на различни диети. Варирането на пропорциите на захар или мъртви дрожди, хранени с възрастни женски дрозофили, не е имало значителен ефект върху поведението при хранене (Фигура 1; p> 0,01 във всички случаи, хи-квадрат тест, корекция на Bonferroni за множество сравнения). Значителна разлика се наблюдава на 17-ия ден (хи-квадрат, р = 0,0068) с мухи на DR мая/контролна захарна храна, която яде по-малко. Тази разлика обаче е в посока, обратна на очакваната, ако мухите на диети с ниско съдържание на хранителни вещества се компенсират чрез увеличаване на скоростта на хранене. Следователно мухите не компенсират намаленото съдържание на хранителни вещества в хранителната среда, като увеличават времето, прекарано в хранене.

Скоростите на хранене се записват чрез пряко наблюдение като пропорция от времето, прекарано от мухите на повърхността на средата с удължен хобот и докосване на храната (оста y). Повторни измервания на дела на женските, които се хранят, спрямо тези, които не се хранят, са записани през период от 2 часа в показаните дни. Не са наблюдавани значителни разлики между мухи, хранени с различни диети в дни 3, 7, 11 и 24, както се оценява чрез тестове с хи-квадрат (p> 0,01, корекция на Bonferroni за множество сравнения). Имаше значителна разлика в скоростта на хранене на 17-ия ден (p = 0,0068), когато мухите на DR маята/контролната захарна среда ядат по-малко. Тези данни показват, че дрозофилата не проявява компенсаторно поведение при хранене за наложения режим на DR.

Калорично съдържание на мъртви дрожди/захароза

Стойностите за компонентите на биомасата на дрождите са взети от Lange и Heijnen [22], а оценки на калоричното съдържание на протеини, въглехидрати и липиди от Southgate и Durnin [23]. Това позволи да се изчисли калоричното съдържание на грам захароза и автолизиран дрожден прах, единствените източници на хранителни вещества в хранителната среда на дрозофила. Тези стойности бяха 4 kcal/g захароза и 4.02 kcal/g автолизиран дрожден прах. Тъй като тези стойности са практически идентични, промяната на съдържанието на захар или дрожди в храните между DR и контролните концентрации генерира видове храни с подобни калорични стойности, но с различен хранителен състав (вж. Таблица 1).

Хранителен състав и калоричност на експерименталните видове храни

Продължителност на живота на женските дрозофили, като се имат предвид храни с различна калоричност

Продължителността на живота на женската дрозофила е удължена много повече чрез намаляване на дрождите от контрола до концентрация на DR, отколкото чрез еквивалентното намаляване на захарта (Фигура 2; Таблица 2) и следователно средната продължителност на живота не корелира с калоричното съдържание на хранителната среда, към която мухите бяха изложени (Фигура 3). В два независими експеримента, намаляването на концентрацията на дрожди от контрола до нивата на DR, като същевременно поддържа нивата на захар постоянни, значително увеличава продължителността на живота (р 0,05, log-rank тест).

Цветът/символът на кривите показва нивото на дрождите, докато типът линия представлява нивата на захар в съответните храни. (A) и (B) са независими повторения. И в двата случая промяната на калоричното съдържание в храната чрез промяна на нивата на дрождите имаше много по-голям ефект върху продължителността на живота, отколкото този, наблюдаван при същата промяна в калоричното съдържание чрез манипулиране на нивата на захарта.

(A) и (B) представляват независими повторения. Червените стрелки свързват двойки видове храни, при които разликите в калоричното съдържание се дължат на различни концентрации на дрожди. Сините стрелки свързват двойки видове храни, при които разликите в калоричното съдържание се дължат на различни концентрации на захар. Зелената стрелка свързва типовете храни, при които разликите в калоричното съдържание се дължат както на различните концентрации на захар, така и на дрожди. Продължителността на живота се удължава в по-голяма степен на калория чрез намаляване на концентрацията на дрожди от контролни до нива на DR, отколкото чрез намаляване на захарта. Това е за разлика от това, което би се предвидило, ако приемът на калории е ключовият посредник за удължаване на живота от DR при плодовите мухи.

Средна и максимална продължителност на живота на мухи, хранени с различни хранителни среди като възрастни

Ефект на бактериите върху отговора на продължителността на живота на диетата

За да тестваме дали различните нива на бактерии в хранителната среда могат да отчетат ефектите на хранителния състав върху продължителността на живота, тествахме ефекта на антибиотик. Добавянето на антибиотик тетрациклин към хранителната среда не е имало значителен ефект върху продължителността на живота нито върху контролната, нито върху хранителната среда на DR (Фигура 4, p> 0,05; log-rank тест за всеки отделен случай), както и удължаването на живота когато нивата на захар и дрожди бяха намалени от контрол до концентрации на DR, следователно не беше блокиран или модифициран чрез добавяне на антибиотик към хранителната среда.

Добавянето на антибиотик тетрациклин към хранителната среда не е имало значителен ефект върху продължителността на живота нито в контролната, нито в хранителната среда с концентрация на DR.

Ефекти върху смъртността при смяна на дрожди и захар

Ефектът от DR върху смъртността при дрозофила е остър; в рамките на 48 часа мухите, превключени между DR и диети, приемат нивата на смъртност, характерни за мухи, хронично изложени на хранителния режим, към който са се присъединили сменените мухи [24]. Поради това измерихме острите ефекти върху смъртността при превключването на компонентите на маята и захарта в диетата поотделно. Когато дрождите бяха сменени, смъртността реагираше подобно на реакциите при превключване между контролна и DR SY хранителна среда. Четиридесет и осем часа след преминаване от контролна SY среда към DR дрожди/контролна захарна среда на 25-ия ден, мухите нямаха по-голяма вероятност да умрат от тези, поддържани на DR мая/контролна захарна среда през цялата зряла възраст (регресия на Кокс; p = 0,22; n DR дрожди/контролна захар хронична група = 626; n група превключване = 475; съотношение на риска = 0,96 [95% доверителен интервал CI: 0,91, 1,02]) (Фигура 5А). В реципрочния превключвател мухите, преместени от среда DR SY за контрол на дрожди/среда на захар DR, показаха бързо нарастване на смъртността, въпреки че това не достигна нивото, наблюдавано при мухи, които са били на контролна среда за дрожди/DR захар през целия живот на възрастните (Регресия на Кокс; p Фигура 5. Острите ефекти върху специфичната за възрастта смъртност при дрозофила от промени в хранителното съдържание на храната по средата на живота

Вертикалната линия представлява ден на превключване. Траекториите на смъртността бяха отсечени, когато n –1), 3 ml пропионова киселина). Възрастните се събират в продължение на 24 часа и се прехвърлят без упойка в прясна SY храна за 48 часа и се оставят да се чифтосват. След това женските бяха събрани с помощта на лека СО2 анестезия и разпределени произволно към хранителните режими (Таблица S1). Всички експерименти са направени с двойки жени. Мухите се държат върху 35 ml храна при първоначална плътност от 100 индивида в бутилка от 200 ml и се прехвърлят без упойка в прясна храна на всеки 2-3 дни. Смъртните случаи се оценяват 5–6 дни на седмица и първоначалните размери на извадката (n0) се изчисляват като обобщени наблюдения на смъртта и цензурата за всички възрасти. За да се сведат до минимум ефектите върху плътността върху смъртността, две бутилки в кохортите бяха обединени, когато плътността на мухите достигна 50 ± 10. За да се стандартизират ефектите от възрастта на родителите върху годността на потомството [53], родителите на експериментални мухи бяха на същата възраст и отглеждани в постоянна плътност.

Статистически анализ

Възрастната специфична смъртност (μx) се изчислява като μx = −ln (px), където px е вероятността индивид, жив на възраст x - 1, да оцелее до възраст x [54]. log-rank тестове [55] бяха използвани за анализ на оцеляването. Всички статистически анализи бяха извършени с помощта на JMP. 5.0 статистически софтуер (SAS Institute Inc., Кари, Северна Каролина, САЩ).

подкрепяща информация

Фигура S1. Острите ефекти върху специфичната за възрастта смъртност при дрозофила от промени в хранителното съдържание на храната по средата на живота

Вертикалната линия представлява ден на превключване. Експериментът беше прекратен 4 дни след превключването.

(A) Подобно на експеримента, показан на Фигура 5, превключването между контролна и DR диета с дрожди (Y) по средата, въпреки че животът води до бързи промени в специфичните за възрастта нива на смъртност в рамките на 48 часа, подобни на тези, наблюдавани по-рано за разреждане на цели храни [24].

(Б) Промяната на приема на калории в същата степен чрез промени в нивата на захар (S), а не на дрожди, не е причинила бързи промени в смъртността.

Таблица S1. Примерни размери и лечения

Те представляват броя на мухите, превключени между леченията (т.е. n25) и са взети проби от първоначалните хронични контроли (контрола SY или DR SY) и са цензурирани от данните за продължителността на живота на тези лечения на ден 25.

Благодарности

Благодарим на P. Martinez, FCF Calboli, Y. Driege и T. Magwere за експериментална помощ, GDD Hurst за помощ и съвети с експеримента с антибиотици, SD Pletcher и членове на лабораторията Partridge за ценна дискусия и трима рецензенти за полезни коментари . Също така благодарим на Т. Г. Стендиш за използването на неговата снимка на EM Drosophila. Тази работа беше подкрепена от Съвета по биотехнологии и биологични изследвания и благотворителния тръст.

Принос на автора

LP и WM замислят и проектират експериментите. WM извърши експериментите и анализира данните. LP, WM и MDWP написаха статията.