Model Drosophila pro studium střevní mikroflóry v chování a neurodegenerativních onemocněních, část 2

3. Naučené chování Drosophila

Za posledních 40 let bylo dosaženo obrovského pokroku ve výzkumu podrobných mechanismů, které jsou základem učení a paměti Drosophila. V biologických studiích bylo použito několik způsobů učení a paměti Drosophila, včetně čichové paměti, vizuální paměti, paměti místa a paměti námluv [66]. Rozsáhlé studie naznačují, že mouchy se mohou učit a vytvářet vzpomínky ze svých zkušeností a tyto vzpomínky mohou přetrvávat hodiny nebo dny. Čichová paměť Drosophila a paměť námluv jsou dva oblíbené testovací systémy pro studium paměti v laboratoři. Zde se zaměřujeme především na čichové a namlouvací vzpomínky u Drosophila.

Čichová paměť Drosophila znamená, že Drosophila vnímá vnější prostředí prostřednictvím čichu, ukládá tyto informace v mozku a v případě potřeby si je vybavuje. Čichová paměť hraje velmi důležitou roli v přežití Drosophila, protože pomáhá mouše rozpoznat jídlo, kamarády, nepřátele atd. V mozku Drosophila se mechanismus, kterým se tvoří čichové vzpomínky liší od jiných typů vzpomínek, což by mohlo lépe pomoci rozumíme podstatě paměti.

Na rozdíl od lidské paměti se zdá, že čichová paměť ovocných mušek není ovlivněna faktory, jako je věk a zdraví. Tým výzkumníků v experimentech zjistil, že čichové vzpomínky se úspěšně upevňují a uchovávají u mladých i starých ovocných mušek. To ukazuje, že čichová paměť ovocné mušky je velmi stabilní formou paměti a lze dokonce říci, že jde o paměť, kterou nelze zničit.

Navíc tvorba a uchovávání čichových vzpomínek u Drosophila souvisí také se způsobem propojení neuronů v jejich mozku. Vědci zjistili, že čichová paměť může být zničena nebo posílena vyříznutím a vložením neuronů do ovocných mušek. To ukazuje, že utváření a uchovávání čichové paměti u Drosophila závisí na spojení mezi neurony a toto spojení lze regulovat a ovlivňovat experimenty, což nám pomáhá lépe porozumět mechanismu tvorby a uchovávání paměti.

Celkově je čichová paměť Drosophila velmi specifickou a stabilní formou paměti. Souvisí s faktory, jako je způsob propojení neuronů v mozku a vliv prostředí, a může být nezávislý na věku a zdravotním stavu vrtule. Tato zjištění poskytují jedinečný pohled na povahu paměti a mohou hrát důležitou roli v budoucích lékařských aplikacích a diagnostice. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť. Cistanche může výrazně zlepšit naši paměť, protože Cistanche dokáže také regulovat rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů, které jsou velmi důležité pro paměť a učení. Důležité je, že kromě toho může maso také zlepšit průtok krve a podpořit dodávku kyslíku, což může mozku zajistit dostatečný přísun výživy a energie, a tím zlepšit vitalitu a odolnost mozku.

Klikněte na možnost poznat způsoby, jak zlepšit funkci mozku

3.1. Podmínka averze čichové paměti a odměňování

Čichová paměť Drosophila byla popsána Tempelem et al. [4] a Tully et al. [5]. U averzivního čichového kondicionování mouchy dostávají trest elektrickým šokem spolu s vystavením specifickému zápachu (CS+), po kterém následuje jiný zápach (CS−) bez elektrického šoku. Pro testování paměti jsou mouchy přepravovány pomocí malého výtahu v tréninkovém stroji a je jim umožněno vybrat si mezi dvěma pachy (CS+ vs. CS−) v T-bludišti. V tomto testu se často používá jak 3-oktanol (OCT), tak 4-methylcyklohexanol (MCH). Výkonnostní index je definován jako:

Test paměti cukru a odměny, popsaný v dřívějších studiích, je podobný testu averzivní čichové paměti a test paměti odměny vody je modifikací paměti cukru a odměny [4,67–70]. V testech paměti odměny za cukr a odměnu za vodu jsou hladové nebo žíznivé mouchy cvičeny tak, aby spárovaly zápach (CS+) s cukrem nebo vodou.

Před zahájením experimentu jsou mouchy přeneseny do lahviček obsahujících vlhký filtrační papír pro hladovění potravy před testem paměti odměny za cukr nebo do lahviček obsahujících suchý filtrační papír na sacharózu pro vysušení před testem paměti odměny za vodu. Pro trénink se mouchy přemístí do tréninkové zkumavky obsahující vysušený filtrační papír a vystaví se prvnímu zápachu (CS−).

Mouchy se pak přenesou do jiné cvičné zkumavky obsahující buď sacharózový filtrační papír nebo vodní filtrační papír a poté se vystaví druhému pachu (CS+). Pro testování si mouchy mohou vybrat mezi dvěma pachy v T-bludišti a jejich distribuce v trubičkách byla analyzována a prezentována jako výkonnostní index [68,71].

3.2. Vzpomínka na námluvy

Již spářené samice mouchy odmítají pokusy o kopulaci samců, což nakonec vede ke snížení námluv u samců. Tato nepříjemná zkušenost (odmítnutí ze strany samic) také potlačuje mužské námluvní chování vůči panenské samici [6].

Potlačení chování samců při námluvách vůči panenské samici po vystavení již spářeným samicím je definováno jako podmínění námluv. Před testováním se naivní samci odeberou v den ekluze a 4–5 dní se uchovávají jednotlivě. Když jsou naivní samci pohlavně zralí, jsou vystaveni spářené samici po dobu 1 hodiny a byl vypočten index námluv během prvních (CIpočátečních) a posledních (CIfinálních) 10 minut 1h experimentálního období. Testovaný samec je poté přemístěn na nové místo a vystaven dekapitované panenské samici po dobu 10 minut (test).

V kontrolní skupině jsou naivní samci much drženi sami v komoře po dobu 1 hodiny a poté přeneseni do nové komory s dekapitovanou panenskou samicí na 10 minut (CIsham) [72]. Nakonec se vypočítá index učení námluv a index paměti. Nižší indexy učení a paměti ukazují, že samci much mají lepší schopnost učení a paměti. Index učení=CIfinal/CIinitial and memory index=CItest/mean CIsham [72].

3.3. Vliv střevní mikroflóry na paměť

Studie ukázaly, že mouchy lze vycvičit tak, aby spojovaly pach s trestem nebo odměnou [4,5,67,73]. Pro čichovou paměť přijímají projekční neurony v anténním laloku vstupy z neuronů čichových receptorů a promítají se do laterálního rohu a MB v mozku mouchy [74]. Zejména Drosophila MB jsou kritické pro čichovou paměť [75,76]. MB neurony jsou klasifikovány jako , 0 0 a neurony [77].

Blum a kol. ukázal, že u much naučené zážitky tvoří krátkodobou paměť v MB neuronech, zatímco dlouhodobá paměť se tvoří v MB neuronech [78]. Naproti tomu McBride a spol. uvedli, že MB jsou nezbytné pro konsolidaci dlouhodobé paměti během námluv [79]. Jiná studie uvádí, že překrytí MB neuronů je nutné pro paměť námluv a čichovou asociativní paměť u Drosophila [80].

Rostoucí důkazy naznačují, že střevní mikrobiom může mít určité účinky na chování zvířat [81] a interakce mezi střevem a mozkem je pro chování kritická [82]. Několik výzkumníků naznačilo souvislost mezi střevní mikroflórou a učením [83] nebo pamětí [84]. Konkrétně byla vyvinuta specifická probiotika pro zlepšení učení a paměti u myší [85,86]. U Drosophila je střevní mikrobiota mnohem jednodušší ve srovnání s jinými zvířaty [87].

Ovocné mušky jsou potenciálním zvířecím modelem pro studium účinků střevní mikroflóry na naučené chování; existují však jen roztroušené důkazy. Nedávno Silva a spol. uvedli, že axenické mouchy mají sníženou chuťovou paměť 24 hodin po tréninku a samci axenických much vykazují snížené učení a paměť [34] (tabulka 1). K objasnění dopadu střevní mikroflóry na naučené chování v budoucnu jsou zapotřebí další studie.

4. Stárnutí a dlouhověkost

Stárnutí je univerzální biologický jev. Stárnutí je v podstatě termín používaný k popisu vztahu mezi postupujícím chronologickým věkem a poklesem fyziologických funkcí, jako jsou reprodukční funkce, svalová síla, kognitivní poruchy a nemoci související s věkem [88].

Několik studií použilo zvířecí modely, jako je Caenorhabditis elegans, Drosophila a myši, k charakterizaci molekulárních a fyziologických změn, ke kterým dochází během stárnutí [89].

Střevní mikrobiota a stárnutí Drosophila

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 let). Zdraví starší lidé mají ve střevě vyšší množství bakterií Bacteroidetes, které poskytují více funkčních cest pro energetický metabolismus.

Nezdraví starší jedinci však mají vyšší zastoupení streptokoka a dalších patogenních bakterií ve střevě [91]. Studie na mikrobiotě starších lidí nejsou příliš konzistentní kvůli různým vnitřním a vnějším parametrům spojeným s každou osobou; proto jsou zapotřebí další studie na zvířecích modelech, aby se objasnila úloha střevní mikroflóry při stárnutí.

Typicky má zdravá a dobře udržovaná divoká drozophila, W1118, střední délku života přibližně 70 dní a maximálně přibližně 90 dní, když je chována při 25 °C [92]. Zestárlé mouchy vykazují vážné změny chování související s věkem 21 dní po ekloze, jako je poškození lokomotoriky související s věkem (ARLI), snížená sexuální aktivita a reprodukční chování, snížená schopnost vnímat chlad, rozpad cyklů spánek-bdění a zhoršené kognitivní funkce [ 63,93-95]. Tyto změny chování související s věkem jsou spojeny se změnou vzorce genové exprese. Stárnutí je spojeno se změnami v expresi téměř 23 % genů u Drosophila a mnoho z těchto genů souvisí se stresovou reakcí a reprodukcí. Porucha exprese těchto genů způsobuje poškození několika fyziologických procesů u starých much [96].

U dospělých much tvoří Proteobacteria (Acetobacter a Komagataeibacter) a Firmicutes (Lactobacillus a Leuconostoc) hlavní část střevní mikroflóry, zejména v oblasti měděných buněk podobných žaludku (CCR, také viz obrázek 1a), která řídí distribuci a složení mikrobioty a metaplazie žaludečního epitelu prostřednictvím aktivace signalizace JAK/STAT ve stárnoucím střevě [97]. Kromě toho existuje významný rozdíl ve složení střevní mikroflóry mezi mladými a starými mouchami.

U mladých mušek jsou dominantními druhy Acetobacter persici a L. brevis. A. malorum a L. plantarum se však vyskytují především ve střevě starých much [98]. Studie objasňující účinky střevní mikroflóry během různých fází vývoje Drosophila nejsou konzistentní. Brummel a kol. zjistili, že mouchy chované v axenických podmínkách mají kratší životnost ve srovnání s běžnými muškami. Kromě toho přítomnost mikrobioty během prvního týdne dospělého života u Drosophila prodlužuje délku života. Naproti tomu přítomnost mikrobioty v pozdějším věku zkracuje životnost. Autoři navrhli, že střevní mikroflóra interaguje s geny dlouhověkosti za účelem modulace délky života u Drosophila [39].

Na rozdíl od toho Catterson et al. ukázal, že přerušovaný půst (IF, dva dny krmení následované pěti dny hladovění) může prodloužit délku života u Drosophila. Dále autoři prokázali, že IF po dobu alespoň 30 dnů v dospělosti prodlužuje životnost. Autoři argumentovali, že IF zvyšuje hladověním indukovanou odolnost vůči oxidativnímu a xenobiotickému stresu.

Kromě toho IF zvyšuje obsah lipidů u 60-jednodenních mušek. Analýza střeva 40 dní po IF odhalila významné snížení patologických stavů souvisejících s věkem, zlepšenou funkci střevní bariéry a snížený výskyt bakterií, včetně L. plantarum. Mohu jednat nezávisle na cestě TOR a výrazně zvýšit životnost. Celkově může krátkodobá IF v raném věku vyvolat dlouhodobé příznivé účinky, které by mohly prodloužit životnost, alespoň částečně, zachováním zdraví střev [40].

5. Alzheimerova choroba

Alzheimerova choroba (AD) vzniká v důsledku neuronální degenerace v mozku. AD je charakterizována přítomností neuritických plaků a neurofibrilárních klubek, což vede k akumulaci amyloid-beta (A ) peptidu [99]. Existují dvě hlavní hypotézy pro vysvětlení mechanismu, který je základem rozvoje AD. První hypotéza je cholinergní hypotéza.

V 70. letech 20. století studie odhalily, že neokortikální a presynaptické cholinergní deficity souvisí s cholinacetyltransferázou (ChAT), enzymem zapojeným do syntézy acetylcholinu (ACh). Protože ACh je klíčovým faktorem zapojeným do regulace kognitivních funkcí, cholinergní hypotéza navrhuje, že akumulace amyloidu ovlivňuje cholinergní neurotransmisi a způsobuje snížení vychytávání cholinu a uvolňování Ach [100,101]. Druhou hypotézou je amyloidní hypotéza.

Bylo pozorováno, že degradace A se snižuje se zvyšujícím se věkem nebo při různých patologických stavech, což vede k akumulaci peptidů A, což nakonec způsobí smrt neuronů [102–104]. Bylo identifikováno několik rizikových faktorů AD, jako je stárnutí, genetické pozadí, mutace amyloidních prekurzorových proteinů, environmentální faktory a expozice těžkým kovům [105].

5.1. Střevní mikrobiota a AD u Drosophila

Pacienti s AD vykazují sníženou abundanci L. brevis a Bifidobacterium dentium ve střevě a snížené hladiny GABA v CNS [106]. Serotonin, další klíčový neurotransmiter, který reguluje kognitivní funkce, může být syntetizován střevními mikroby [15,107]. Kromě nerovnováhy neurotransmiterů se na AD podílejí také neurotoxiny. Nedávná studie odhalila, že neurotoxin -N-methylamino-L-alanin (BMAA) je produkován sinicemi ve střevě, což přispívá k rozvoji AD [106,108]. Dopad střevní mikroflóry na nervové okruhy a související mechanismy u AD však zůstává nejasný. Celkově byly vyvinuty tři modely Drosophila AD, které vědcům umožnily odhalit vztah mezi AD a střevní mikroflórou. Patří mezi ně elav-Gal4, model UAS-BACE/UASAPP, model GMR-A 42 a elav-Gal4; Model UAS-A 42 (tabulka 1).

5.2. elav-Gal4; UAS-BACE/UAS-APP létající model

Systém UAS/Gal4 byl použit k vývoji modelů AD mouchy pomocí exprese lidské beta-sekretázy (BACE) nebo amyloidního prekurzorového proteinu (APP) pod kontrolou ovladače elav-Gal4, který je specificky exprimován v neuronech. Tyto mouchy vykazují zvýšené ukládání amyloidu v neuronech, ztrátu schopnosti šplhat a zvýšenou neurodegeneraci. Nedávná studie dále ukázala souvislost mezi vychytáváním kefíru a AD u elavGal4; UAS-BACE/UAS-APP létá. Kefír je probiotikum, které obsahuje pět hlavních bakteriálních druhů: L. kefiranofaciens (21,96 %), L. kefír (0,2 %), A. labarum (0,17 %), Lactococcus lactis ( 0.004 %) a Rickettsiales (0,001 %). Hlavní metabolity přítomné v kefíru jsou hexan (Hex), dichlormethan (DCM), ethylacetát (EtOAc) a n-butanol (But-OH). Podávání kefíru muškám AD modelovým zlepšilo jejich schopnost šplhání, zlepšilo míru přežití a potlačilo neurodegeneraci. Kromě toho, ačkoli čtyři přítomné metabolity, pokud byly kefír individuálně schopny zlepšit šplhací aktivitu u AD much, pouze EtOAc a But-OH byly schopny prodloužit životnost AD modelu Drosophila [41].

Westfall a kol. vyvinuli symbiotickou formulaci obsahující L. plantarum NCIMB 8826 (Lp8826), L. fermentum NCIMB 5221 (Lf5221) a Bifidobacteria longum spp. infantis NCIMB 702255 (Bi702255) spolu s práškem 0,5% TFLA (polyfenolový rostlinný extrakt z gastrointestinálního tonika Triphala). Léčba elav-Gal4; Mouchy UAS-BACE/UAS-APP s touto symbiotickou formulací snížily expresi Drosophila insulinu podobného peptidu (Dilp) včetně Dilp2 a Dilp3 a Dilp receptorů, zatímco zvýšily expresi dFOXO a duální oxidázy vrozeného imunitního faktoru a podpořily signalizaci IMD. Kromě toho symbiotická formulace snížila hladiny celkových oxidantů, potlačila peroxidaci lipidů (LPO) a obnovila aktivitu komplexů mitochondriálního elektronového transportního řetězce (ETC) u AD modelových much [42].

5.3. Muškařský model GMR-A 42

GMR-A 42 AD model mouchy byl vyvinut expresí lidského A 42 transgenu pod kontrolou skleněného multimerního reportérového (GMR)-Gal4 ovladače, který je exprimován v retinálních buňkách. Tyto mouchy vykazují hrubý fenotyp oka v důsledku neurodegenerace a tento model je široce používán ke zkoumání mechanismů, které jsou základem rozvoje AD [109]. Liu a kol. ukázali, že krmení L. sakei Probio 65 a L. paracasei 0291 významně snížilo neurodegeneraci spojenou s AD u modelových much GMR-A 42 AD [43]. Navíc Tan a kol. uvedli, že Lactobacillus zachraňuje fenotyp drsného oka u AD much, zejména kmene L. plantarum DR7. L. plantarum DR7 může obnovit diverzitu střevní mikroflóry u modelových mušek AD zvýšením četnosti Stenotrophomonas a Acetobacter a zároveň snížením četnosti Wolbachia [44].

5.4. elav-Gal4; Muškařský model UAS-A 42

Tento model AD mušek byl vyvinut expresí lidského A42 pod kontrolou pan-neuronálního ovladače elav-Gal4. Podobně jako u ostatních modelů AD, elav-Gal4; Mušky UAS-A 42 vykazují sníženou míru přežití a snížené schopnosti lezení. Kromě toho je početnost čeledí Acetobacteraceae a Lactobacillaceae ve střevě těchto much, zejména Acetobacter a Lactobacillus, snížena. Pomocí GC-MS bylo zjištěno, že hladiny acetátu, což je nejhojnější mastná kyselina s krátkým řetězcem (SCFA) u mušek, u mušek s AD dramaticky klesá [45]. Studie in vitro a in vivo prokázaly, že SCFA hrají potenciální roli při snižování hladin A a zmírňování jeho toxických účinků [110,111]. Kromě toho enterická dysbióza způsobená infekcí nepatogenním enterobakteriem (Ecc15) u dospělých much podporuje nábor hemocytů do mozku, což vede k neurodegeneraci zprostředkované TNF−JNK, což vede k rozvoji AD [46].
6. Parkinsonova nemoc

Parkinsonova nemoc (PD) je neurologické onemocnění, které postihuje lidi především v pozdějších letech života. Obecně platí, že PD je zřídka pozorována u osob mladších 40 let a odhaduje se, že toto onemocnění vyvine asi 1 % lidí starších 60 let a 0,3 % celé populace [112–114] . Akumulace Lewyho tělísek obsahujících -synuklein a ztráta dopaminergních neuronů v substantia nigra jsou hlavními patologickými změnami pozorovanými u pacientů s PD. Mezi motorické rysy běžně pozorované u pacientů s PD patří třes, rigidita a bradykineze. Kromě toho jsou běžné nemotorické rysy pozorované u pacientů s PD dysfunkce spánku, autonomní dysfunkce a hyposmie [115]. Ačkoli příčiny rozvoje PD jsou stále neznámé, mezi hlavní rizikové faktory patří věk, faktory prostředí a genetika.

6.1. Střevní mikrobiota a PD u Drosophila

Bylo popsáno, že u pacientů s PD je hojnost Enterobacteriaceae ve střevě pozitivně spojena se závažností posturální nestability [46]. Kromě toho bylo hlášeno, že u pacientů s PD se ve střevě vyskytuje hojnost Prevotellaceae, Blautia spp., Coprococcus spp., Roseburia, Faecalibacterium spp. a Prevotella spp. Je snížena, zatímco u E. coli, Ralstonia, Lactobacillus, Bifidobacterium, Verrucomicrobiaceae, Bacteroides, Parabacteroides, Akkermansia, Butyricimonas, Veillonella, Odoribacter, Mucispirillum a Bilophila je zvýšena [12,116–119]. Účinky střevní mikroflóry na patogenezi PD však zůstávají nejasné. Model Drosophila PD byl použit ke zkoumání vztahu mezi PD a střevní mikroflórou. Podobně jako u modelu AD existují dva modelové systémy pro studium PD u Drosophila: elav-Gal4; Model UAS-synuclein a model mutantu PINK1 (tabulka 1), jak je popsáno níže.

6.2. opustit-Gal4; UAS-Synuclein Fly Model

U pacientů s PD dochází k multiplikaci mutací (A53T, A30P nebo E46K) v genu pro synuklein. Fly PD modely byly vyvinuty expresí mutantního -synukleinu pod kontrolou elav-Gal4 ovladače. Ho a kol. použili A53T mutantní lidský -synukleinový protein pod ovladačem elav-Gal4 k vývoji much s charakteristikami podobnými PD. Tyto mouchy vykazovaly ztrátu dopaminergních neuronů v dospělosti a lokomotorickou dysfunkci.
Léčba 3-kyselinou hydroxybenzoovou (3-HBA),3,4-kyselinou dihydroxybenzoovou (3,4-diHBA) a 3-(3- kyselina hydroxyfenyl)propionová (3- HPPA), což jsou metabolity kyseliny fenolové, inhibovala agregaci -synukleinu in vitro a zlepšila lokomotorickou aktivitu PD modelových much. Bylo hlášeno, že Bacteroides ovatus může přeměnit flavanoly katechin a epikatechin na DHCA, 3,4-diHBA a 3-HBA. B. ovatus, Eggerthella lenta a Escherichia coli by navíc mohly produkovat 3-HPPA, 3,4- diHBA a 3-HBA prostřednictvím metabolických procesů nezávislých na katechinu a epikatechinu. Tato zjištění naznačují, že střevní mikroflóra může ovlivnit patogenezi PD modulací flavanolů ve stravě [47].

6.3. PINK1 Mutant Fly Model

PTEN-indukovaná kináza 1 (PINK1), jaderně kódovaná mitochondriální serin/threonin protein kináza, je spojována s PD. Na zvířecích modelech s mutacemi genu PINK1 jsou pozorovány změny a symptomy spojené s PD, jako jsou fragmentované mitochondriální kristy, zvýšená citlivost na oxidační stres, lokomotorické defekty a dopaminergní ztráta neuronů [113,120]. Proto se PINK1 s mutacemi se ztrátou funkce používá k vývoji PD modelových mušek. Xu a kol. ukázaly, že PD mouchy s PINK1 mutacemi vykazují sníženou životnost, poruchy lezení a letu, degenerované letové svaly a ztrátu dopaminergních neuronů. Bylo prokázáno, že sloučenina epigalokatechin-3-galát (EGCG), hlavní polyfenol přítomný v zeleném čaji, může zmírnit příznaky PD. Kromě toho by EGCG mohl obnovit diverzitu mikroflóry u mušek PD snížením zastoupení Proteobakterií ve střevě a zvýšením zastoupení Firmicutes a Bacteroidetes. Navíc u PD much je zvýšená abundance bakterií Lactobacillus a Acetobacter ve střevě, ale ve skupinách léčených EGCG to snížilo výskyt Acetobacter a L. plantarum a zachránilo lokomotorické defekty. Kromě toho zvýšení abundance L. plantarum u PD mušek ošetřených EGCG snížilo účinnost tohoto polyfenolu. EGCG tedy poskytuje neuroprotekci ovlivněním střevní mikroflóry u PD much [48].

7. Porucha autistického spektra

Porucha autistického spektra (ASD) je neurovývojová porucha, která se projevuje v raném dětství. Je charakterizována komplexními behaviorálními fenotypy a deficity sociálních i kognitivních funkcí; přesná příčina ASD však stále není známa [121,122]. V posledních letech byla identifikována souvislost mezi genetickými faktory a ASD, včetně variace počtu kopií, jednonukleotidových polymorfismů a epigenetických změn. Kromě genetiky hrají v ASD klíčovou roli také faktory prostředí, jako jsou látky znečišťující ovzduší a pesticidy [122,123]. Nedávno byl model Drosophila použit ke studiu vztahu mezi ASD a remodelací chromatinu, posttranskripční regulací, syntézou/degradací proteinů a molekulami buněčné adheze [124]. POGZ kóduje heterochromatinový protein 1 -vázající protein, který je kritický pro remodelaci chromatinu u lidí. Předpokládá se, že POGZ funguje jako transkripční regulátor, který je rozhodující pro neuronální funkce [125]. Downregulace řádku, Drosophila ortholog POGZ, v neuronech, vede k deficitu v habituaci, což je forma neasociativního učení [125]. Euchromatin histon metyltransferáza (EHMT) je dalším příkladem rizikového genu ASD souvisejícího s remodelací chromatinu [126–128]. Ztráta EHMT u Drosophila vede k deficitu učení a paměti a k ​​významnému snížení počtu dendritických konců, větvení vyššího řádu a komplexnosti dendritického pole [129].

Nedávné studie naznačují, že proteiny rodiny KDM5 jsou klíčové pro ASD. Proteiny rodiny KDM5 jsou histondemethylázy, které regulují modifikaci histonu H3K4me3, která je spojena s promotory transkripčně aktivních genů [130,131]. U pacientů s ASD byly popsány mutace se ztrátou funkce v proteinech rodiny KDM5 [132,133]. Navíc kdm5c knockout myši také vykazují abnormální učení a sociální chování v důsledku snížené hustoty páteře [134,135]. Mouchy nesoucí mutantní lidský kdm5c (kdm5A512P) vykazují poruchy učení a paměti [136]. Kromě toho tyto mouchy vykazují defekty chování a změny úrovně transkripce, které jsou podobné mutantní alele, která ruší aktivitu demetylázy. Tyto studie naznačují, že proteiny rodiny KDM5 jsou kritické pro učení, paměť a sociální chování jejich enzymatické funkce pro aktivaci genů [136].

Ke studiu ASD v modelu Drosophila lze použít několik behaviorálních testů. Testy sociálního prostoru byly původně vyvinuty Simonem et al. ke studiu ASD u dospělých much [137]. Tento test se provádí v testovací komoře se dvěma čtvercovými skleněnými deskami (18 × 18 cm) oddělenými 0 0,5 cm rozpěrkou, což umožňuje mouchám být v prostoru. Vnitřní prostor je trojúhelníkový s výškou a základnou 15,3 cm každý. Mouchy jsou umístěny na dně komory a všechny mouchy začnou lézt nahoru ze stejného výchozího bodu na dně. Po 20 minutách je pomocí kamery změřena vzdálenost mezi nejbližšími sousedy [137]. Kromě testů sociálního prostoru se test aktivity Drosophila také běžně používá u modelových much s ASD [138].

Chen a kol. navrhli, že proteiny KDM5 ovlivňují sociální chování regulací složení střevní mikroflóry [49]. U lidí se rodina KDM5 skládá ze čtyř členů, zatímco u Drosophila je přítomen pouze jeden ortolog KDM5 [139]. Chen a kol. vytvořili mouchy s nedostatkem kdm5-a ukázali, že ztráta kdm5 vede k dysfunkci střevní bariéry a změnám v sociálním chování. Kromě toho nedostatek KDM5 ve střevních tkáních změnil složení mikrobioty, což vedlo k defektům střevní bariéry. Nicméně podávání probiotik Lactobacillus nebo antibiotik mouchám s deficitem kdm5-částečně zachránilo behaviorální a buněčné fenotypy a prodloužilo životnost (tabulka 1). Kromě toho KDM5 transkripčně reguluje signální dráhu imunitní nedostatečnosti (IMD) a udržuje bakteriální homeostázu způsobem závislým na demetyláze [134]. Tyto studie naznačují, že zacílení na střevní mikroflóru by mohlo být možným klinickým terapeutickým přístupem k léčbě pacientů s ASD s abnormální IMD signalizací [49].

8. Závěry

Protože Drosophila skrývá jednoduchou komunitu střevních mikrobů, je snadné pochopit mechanismy, kterými osa mikrobiota–střevo–mozek ovlivňuje komplikované chování zvířat. Kromě toho bylo vyvinuto několik modelů muší neurodegenerativních onemocnění, které vědcům umožňují zkoumat souvislost mezi střevními mikroby a neuronálními poruchami, což by mohlo připravit cestu k translačním studiím probiotik.

Tento přehled zdůrazňuje důležitost nedávných zjištění o souvislosti mezi střevní mikrobiotou a neuronálními funkcemi, chováním a neurodegenerativními onemocněními v modelu Drosophila. Střevní mikroflóra ovlivňuje teplotní toleranci, spánkové chování, pohybovou aktivitu, strategii hostitel-outbreed a agresivní chování, které jsou všechny vrozené. Ačkoli existují určité rozpory týkající se asociace mezi střevní mikrobiotou a chováním, spekulujeme, že tyto rozdíly mohou být způsobeny různými genotypy hostitelů a dietami používanými v různých studiích. Studie o spánku a lokomotorickém chování drozofily nám však poskytují vodítka, že střevní mikroflóra působí jako neuromodulátor neuronových okruhů [34].

Souvislost mezi naučeným chováním a střevní mikroflórou zůstává špatně pochopena. Silva a kol. uvedli, že střevní mikroflóra ovlivňuje apetitivní dlouhodobou paměť, učení námluv a dlouhodobou paměť námluv [34]. Ačkoli úloha osy mikrobiota–střevo–mozek ve stárnutí zůstává nejasná, od ovocných mušek jsme se dozvěděli, že změny životního stylu nebo stravy by mohly prodloužit život [40]. Kromě toho studie na modelu letu naznačují, že pití mléka s kefírem a užívání symbiotických přípravků nebo probiotických doplňků snižují příznaky AD [41,42,44].

U much byly prokázány příznivé účinky probiotických doplňků a zeleného čaje obsahujícího EGCG na symptomy PD [116,118]. V budoucích studiích bude prioritou vyvinout nová experimentální nastavení, která usnadní aseptické podmínky pro přísnou kontrolu a přesnou manipulaci se střevní mikroflórou u ovocných mušek [34]. Věříme, že model Drosophila nám může pomoci porozumět principu osy mikrobiota – střevo – mozek a brzy identifikovat potenciální probiotika nové generace (NGP).

Příspěvky autora:

Koncepce nebo návrh tohoto díla: C.-HL a C.-LW; Psaní rukopisu: M.-HC, S.-MH, H.-YW, Y.-CL, C.-HL a C.-LW; Příprava obrázků a tabulek: M.-HC a S.-MH; Návrhy a diskuse: W.-HT a TW; Konečné schválení: všichni autoři. M.-HC a S.-MH se na této práci podíleli stejnou měrou. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasí s ní.

Financování:

Tento výzkum byl financován z grantů Science Park, Ministerstva vědy a technologie (109CB01), Ministerstva vědy a technologie (109-2326-B-182-001-MY3, 109-2320-B{{6} }MY3 a ​​109-2320-B-182-029-MY3), nemocnice Chang Gung Memorial Hospital (CMRPD1K0311-2, CMRPD1K0361 a BMRPC75) a projekt Higher Education Sprout Project financovaný ministerstvem vědy a technologie a ministerstvo školství.

Poděkování:

Autoři by rádi poděkovali editorovi a recenzentům za jejich redakční pomoc a cenné připomínky. Děkujeme členům laboratoří CH Lai a CL Wu za jejich kritické komentáře k tomuto rukopisu.

Střet zájmů:

Autoři neprohlašují žádný střet zájmů. Investoři nehráli při návrhu studie žádnou roli; při shromažďování, analýzách nebo interpretaci dat; v psaní rukopisu, nebo v rozhodnutí o zveřejnění výsledků.

Reference

Konopka, RJ; Benzer, S. Hodinoví mutanti Drosophila melanogaster. Proč. Natl. Akad. Sci. USA 1971, 68, 2112–2116. [CrossRef]

2. Dow, MA; Schilcher, FV Agresivita a úspěšnost páření u Drosophila melanogaster. Příroda 1975, 254, 511–512. [CrossRef] [PubMed]

3. Hall, JC Páření mouchy. Věda 1994, 264, 1702–1714. [CrossRef] [PubMed]

4. Tempel, BL; Bonini, N.; Dawson, DR; Quinn, WG Odměňte učení v normální a mutantní Drosophila. Proč. Natl. Akad. Sci. USA 1983, 80, 1482–1486. [CrossRef] [PubMed]

5. Tully, T.; Quinn, WG Klasické kondicionování a retence u normální a mutantní Drosophila melanogaster. J. Comp. Physiol. 1985, 157, 263–277. [CrossRef] 6. Siegel, RW; Hall, JC Podmíněné reakce při námluvách normální a mutantní Drosophily. Proč. Natl. Akad. Sci. USA 1979, 76, 3430–3434. [CrossRef]

7. Feany, MB; Bender, WW Drosophila model Parkinsonovy choroby. Příroda 2000, 404, 394–398. [CrossRef]

8. Cowan, CM; Shepherd, D.; Mudher, A. Poznatky z Drosophila modelů Alzheimerovy choroby. Biochem. Soc. Trans. 2010, 38, 988–992. [CrossRef]

9. út, NT; Dat, TQ; Ly, LL; Anh, VD; Yoshida, H. Insights from Drosophila melanogaster model of Alzheimer's disease. Přední. Biosci. 2020, 25, 134–146. [CrossRef]

10. O'Hara, AM; Shanahan, F. Střevní flóra je zapomenutý orgán. EMBO Rep. 2006, 7, 688–693. [CrossRef]

11. Fung, TC; Olson, CA; Hsiao, EY Interakce mezi mikrobiotou, imunitním a nervovým systémem ve zdraví a nemoci. Nat. Neurosci. 2017, 20, 145–155. [CrossRef] [PubMed]

12. Lin, CH; Chen, CC; Chiang, HL; Liou, JM; Chang, CM; Lu, TP; Chuang, EY; Tai, YC; Cheng, C.; Lin, HY; a kol. Změněná střevní mikroflóra a zánětlivé cytokinové reakce u pacientů s Parkinsonovou chorobou. J. Neuroinflamm. 2019, 16, 129. [CrossRef] [PubMed]

13. De Palma, G.; Lynch, MD; Lu, J.; Dang, VT; Deng, Y.; Jury, J.; Umeh, G.; Miranda, PM; Pigrau Pastor, M.; Sidani, S.; a kol. Transplantace fekální mikroflóry od pacientů se syndromem dráždivého tračníku mění funkci a chování střev u myší příjemce. Sci. Přel. Med. 2017, 9, eaaf6397. [CrossRef] [PubMed]

14. Hsiao, EY; McBride, SW; Hsien, S.; Sharon, G.; Hyde, ER; McCue, T.; Codelli, JA; Chow, J.; Reisman, SE; Petrosino, JF; a kol. Microbiota moduluje behaviorální a fyziologické abnormality spojené s neurovývojovými poruchami. Cell 2013, 155, 1451–1463. [CrossRef] [PubMed]

15. Strandwitz, P. Modulace neurotransmiterů střevní mikrobiotou. Brain Res. 2018, 1693, 128–133. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com