Модел на Drosophila за изследване на чревната микробиота в поведението и невродегенеративните заболявания, част 2

3. Научено поведение на дрозофила

През последните 40 години беше постигнат огромен напредък в изследванията върху подробните механизми, които са в основата на ученето и паметта на Drosophila. Няколко поведения на учене и памет на Drosophila са използвани в биологични изследвания, включително обонятелна памет, визуална памет, памет за място и памет за ухажване [66]. Множество проучвания предполагат, че мухите могат да учат и да формират спомени от своя опит и тези спомени могат да се запазят часове или дни. Обонятелната памет на Drosophila и паметта за ухажване са две популярни системи за изследване на паметта в лабораторията. Тук се фокусираме главно върху обонятелните и ухажващите спомени в Drosophila.

Обонятелната памет на Drosophila означава, че Drosophila възприема външната среда чрез обонянието, съхранява тази информация в мозъка и извиква тази информация, когато е необходимо. Обонятелната памет играе много важна роля за оцеляването на Drosophila, тъй като помага на мухата да разпознава храна, партньори, врагове и т.н. В мозъка на Drosophila механизмът, чрез който се формират обонятелните спомени, се различава от другите видове спомени, които биха могли да помогнат по-добре разбираме природата на паметта.

За разлика от човешката памет, обонятелната памет на плодовата мушица изглежда не се влияе от фактори като възраст и здраве. Екип от изследователи е установил в експерименти, че обонятелните спомени са успешно установени и запазени както при млади, така и при стари плодови мушици. Това показва, че обонятелната памет на плодовата мушица е много стабилна форма на памет и дори може да се каже, че е памет, която не може да бъде унищожена.

В допълнение, формирането и запазването на обонятелни спомени при Drosophila също са свързани с начина, по който невроните в мозъка им са свързани. Изследователите са открили, че обонятелната памет може да бъде унищожена или подсилена чрез изрязване и поставяне на неврони в плодови мушици. Това показва, че формирането и запазването на обонятелната памет при Drosophila зависи от връзката между невроните и тази връзка може да бъде регулирана и повлияна от експерименти, като по този начин ни помага да разберем по-добре механизма на формиране и запазване на паметта.

Като цяло, обонятелната памет на Drosophila е много специфична и стабилна форма на памет. То е свързано с фактори като начина, по който невроните са свързани в мозъка и влиянието на околната среда, и може да бъде независимо от възрастта и здравословното състояние на плодовата муха. Тези констатации предоставят уникална представа за природата на паметта и могат да играят важна роля в бъдещи медицински приложения и диагностика. Вижда се, че трябва да подобрим паметта си. Cistanche може значително да подобри нашата памет, тъй като Cistanche може също да регулира баланса на невротрансмитерите, като например повишаване на нивата на ацетилхолин и растежни фактори, които са много важни за паметта и ученето. Освен това, важно е, че месото може също да подобри притока на кръв и да насърчи доставката на кислород, което може да гарантира, че мозъкът получава достатъчно храна и енергия, като по този начин подобрява жизнеността и издръжливостта на мозъка.

Щракнете върху познайте начините за подобряване на мозъчната функция

3.1. Отвращение към обонятелната памет и условия за възнаграждение

Обонятелната памет на Drosophila е описана от Tempel et al. [4] и Tully et al. [5]. За отблъскващо обонятелно кондициониране, мухите получават наказание с електрически шок заедно с излагане на специфична миризма (CS+), последвана от различна миризма (CS−) без електрически удар. За тестване на паметта, мухите се транспортират с помощта на малък асансьор в тренировъчната машина и им се позволява да избират между две миризми (CS+ срещу CS−) в Т-лабиринта. Както 3-октанол (OCT), така и 4-метил циклохексанол (MCH) често се използват в този анализ. Индексът на ефективност се определя като:

Анализът на паметта за захарно възнаграждение, описан в по-ранни проучвания, е подобен на теста за отблъскваща обонятелна памет, а тестът за памет за водна награда е модификация на паметта за захарна награда [4,67–70]. При анализи на паметта за възнаграждение от захар и вода, гладни или жадни мухи се обучават да сдвояват миризма (CS+) съответно със захар или вода.

Преди започване на експеримента, мухите се прехвърлят във флакони, съдържащи влажна филтърна хартия за гладуване на храна преди анализа на паметта за захарно възнаграждение, или във флакони, съдържащи филтърна хартия със суха захароза за изсушаване преди анализа на паметта за водна награда. За обучение мухите се преместват в тренировъчна епруветка, съдържаща изсушена филтърна хартия, и се излагат на първата миризма (CS−).

След това мухите се прехвърлят в друга тренировъчна епруветка, съдържаща филтърна хартия за захароза или водна филтърна хартия и след това се излагат на втората миризма (CS+). За тестване на мухите е позволено да избират между двете миризми в Т-лабиринт и тяхното разпределение в епруветките е анализирано и представено като индекс на ефективност [68,71].

3.2. Памет за ухажване

Вече чифтосаните женски мухи отхвърлят мъжките опити за копулация, което в крайна сметка води до намалено поведение на ухажване на мъжките мухи. Това неприятно преживяване (отхвърляне от женските) също потиска мъжкото ухажване към девствена женска [6].

Потискането на ухажващото поведение на мъжката муха към девствена женска след излагане на вече чифтосани женски се определя като ухажване. Преди тестване, наивните мъжки се събират в деня на еклозията и се държат индивидуално в продължение на 4-5 дни. Когато наивните мъжки са полово зрели, те се излагат на чифтосана женска за 1 час и се изчислява индексът на ухажване през първите (CIinitial) и последните (CIfinal) 10 минути от 1-h експериментален период. След това тестовият мъжки се премества на ново място и се излага на обезглавена девствена женска за 10 минути (тест).

В контролната група наивните мъжки мухи се държат сами в камера за 1 час и след това се прехвърлят в нова камера с обезглавена девствена женска за 10 минути (CIsham) [72]. Накрая се изчисляват индексът на ухажване и индексът на паметта. По-ниските индекси на учене и памет показват, че мъжките мухи имат по-добра способност за учене и памет. Индекс на обучение=CIfinal/CIinitial и индекс на паметта=CItest/mean CIsham [72].

3.3. Влияние на чревната микробиота върху паметта

Проучванията показват, че мухите могат да бъдат обучени да свързват миризма с наказание или награда [4,5,67,73]. За обонятелната памет проекционните неврони в антенния лоб получават входове от обонятелни рецепторни неврони и се проектират към страничния рог и MBs в мозъка на мухата [74]. По-специално, Drosophila MBs са критични за обонятелната памет [75,76]. MB невроните се класифицират като , 0 0 и неврони [77].

Blum и др. показват, че при мухите научените преживявания формират краткосрочна памет в MB невроните, докато дългосрочната памет се формира в MB невроните [78]. За разлика от тях, McBride et al. съобщават, че MB са от съществено значение за консолидирането на дългосрочната памет по време на ухажването [79]. Друго проучване съобщава, че припокриването на MB неврони е необходимо за паметта за ухажване и обонятелната асоциативна памет при Drosophila [80].

Нарастващите доказателства сочат, че микробиомът на червата може да има някои ефекти върху поведението на животните [81], а взаимодействието между червата и мозъка е критично за поведението [82]. Няколко изследователи посочиха връзка между чревната микробиота и ученето [83] или паметта [84]. По-специално, специфични пробиотици са разработени за подобряване на ученето и паметта при мишки [85, 86]. При Drosophila чревната микробиота е много по-проста в сравнение с други животни [87].

Плодовите мухи са потенциален животински модел за изследване на ефектите на чревната микробиота върху наученото поведение; обаче има само разпръснати доказателства. Наскоро Silva et al. съобщава, че аксеничните мухи имат намалена апетитна памет 24 часа след тренировка, а аксеничните мъжки мухи проявяват намалено учене и памет за ухажване [34] (Таблица 1). Необходими са допълнителни проучвания, за да се изясни влиянието на чревната микробиота върху наученото поведение в бъдеще.

4. Стареене и дълголетие

Стареенето е универсален биологичен феномен. По същество стареенето е термин, използван за описване на връзката между напредването на хронологичната възраст и намаляването на физиологичните функции, като репродуктивна функция, мускулна сила, когнитивно увреждане и свързани с възрастта заболявания [88].

Няколко проучвания са използвали животински модели, като Caenorhabditis elegans, Drosophila и мишки, за да характеризират молекулярните и физиологични промени, които настъпват по време на стареенето [89].

Чревна микробиота и стареене на дрозофила

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 години). Здравите възрастни хора имат по-голямо изобилие от Bacteroidetes в червата, които осигуряват по-функционални пътища за енергиен метаболизъм.

Въпреки това, нездравословните възрастни индивиди имат по-голямо изобилие от Streptococcus и други патогенни бактерии в червата [91]. Проучванията върху човешката микробиота в напреднала възраст не са много последователни поради различни вътрешни и външни параметри, свързани с всеки човек; следователно са необходими допълнителни проучвания, използващи животински модели, за да се изясни ролята на чревната микробиота при стареенето.

Обикновено здравият и добре поддържан див тип Drosophila, W1118, има средна продължителност на живота приблизително 70 дни и максимум приблизително 90 дни, когато се отглежда при 25 ◦C [92]. Възрастните мухи проявяват сериозни поведенчески промени, свързани с възрастта, 21 дни след експозицията, като свързано с възрастта локомоторно увреждане (ARLI), намалена сексуална активност и репродуктивно поведение, намалена способност за усещане на студена температура, прекъсване на циклите сън-събуждане и нарушени когнитивни функции [ 63,93–95]. Тези свързани с възрастта промени в поведението са свързани с промяна в модела на генна експресия. Стареенето е свързано с промени в експресията на почти 23% от гените в Drosophila и много от тези гени са свързани с реакцията на стрес и възпроизводството. Нарушената експресия на тези гени причинява увреждане на няколко физиологични процеса при възрастните мухи [96].

При възрастни мухи Proteobacteria (Acetobacter и Komagataeibacter) и Firmicutes (Lactobacillus и Leuconostoc) съставляват основна част от чревната микробиота, особено в областта на стомашните медни клетки (CCR, вижте също Фигура 1а), която контролира разпределението и състав на микробиотата и метаплазия на стомашния епител чрез активиране на сигнализацията JAK/STAT в стареещите черва [97]. Освен това има значителна разлика в състава на чревната микробиота между млади и стари мухи.

При младите мухи Acetobacter persici и L. brevis са доминиращите видове. Въпреки това A. malorum и L. plantarum присъстват главно в червата на стари мухи [98]. Проучванията, изясняващи ефектите на чревната микробиота по време на различни етапи от развитието на Drosophila, не са последователни. Brummel и др. установиха, че мухите, отглеждани при аксенични условия, имат намалена продължителност на живота в сравнение с конвенционалните мухи. Освен това, наличието на микробиота през първата седмица от живота на възрастните в Drosophila увеличава продължителността на живота. Обратно, наличието на микробиота по време на по-късен живот намалява продължителността на живота. Авторите предполагат, че чревната микробиота взаимодейства с гените за дълголетие, за да модулира продължителността на живота при Drosophila [39].

Противно на това, Catterson et al. показват, че периодичното гладуване (АКО, два дни хранене, последвано от пет дни гладуване) може да удължи продължителността на живота на Drosophila. Освен това авторите показват, че IF за най-малко 30 дни по време на зряла възраст увеличава продължителността на живота. Авторите твърдят, че IF повишава предизвиканата от глад резистентност към оксидативен и ксенобиотичен стрес.

Освен това IF повишава съдържанието на липиди в 60-дневни мухи. Анализът на червата 40 дни след IF разкри значително намаляване на свързаните с възрастта патологии, подобрена функция на чревната бариера и намалено изобилие от бактерии, включително това на L. plantarum. Мога да действам независимо от пътя на TOR и значително да увелича продължителността на живота. Като цяло, по време на ранен живот, краткосрочните IF могат да предизвикат дълготрайни благоприятни ефекти, които биха могли да увеличат дълголетието, поне отчасти, чрез запазване на здравето на червата [40].

5. Болести на Алцхаймер

Болестта на Алцхаймер (AD) възниква поради невронна дегенерация в мозъка. AD се характеризира с наличието на невритни плаки и неврофибриларни възли, което води до натрупване на амилоид-бета (А) пептид [99]. Има две основни хипотези за обяснение на механизма, лежащ в основата на развитието на AD. Първата хипотеза е холинергичната хипотеза.

През 70-те години на миналия век проучвания разкриха, че неокортикалните и пресинаптичните холинергични дефицити са свързани с холин ацетилтрансфераза (ChAT), ензим, участващ в синтеза на ацетилхолин (ACh). Тъй като ACh е ключовият фактор, участващ в регулирането на когнитивните функции, холинергичната хипотеза предполага, че натрупването на -амилоид засяга холинергичната невротрансмисия и причинява намаляване на усвояването на холин и освобождаването на Ach [100,101]. Втората хипотеза е амилоидната.

Наблюдавано е, че разграждането на A намалява с напредване на възрастта или при различни патологични състояния, което води до натрупване на A пептиди, което накрая причинява невронална смърт [102–104]. Идентифицирани са няколко рискови фактора за AD, като стареене, генетичен произход, мутации на амилоиден прекурсорен протеин, фактори на околната среда и излагане на тежки метали [105].

5.1. Чревна микробиота и AD в Drosophila

Пациентите с AD проявяват намалено изобилие на L. brevis и Bifidobacterium dentium в червата и понижени нива на GABA в ЦНС [106]. Серотонинът, друг ключов невротрансмитер, който регулира когнитивните функции, може да се синтезира от чревни микроби [15,107]. Освен невротрансмитерния дисбаланс, невротоксините също са замесени в AD. Скорошно проучване разкри, че невротоксинът -N-метиламино-L-аланин (BMAA) се произвежда от цианобактерии в червата, което допринася за развитието на AD [106,108]. Въпреки това, влиянието на чревната микробиота върху невронните вериги и свързаните с тях механизми при AD остава неясно. Като цяло са разработени три модела на AD на Drosophila, които позволяват на учените да разкрият връзката между AD и чревната микробиота. Те включват elav-Gal4, модел UAS-BACE/UASAPP, модел GMR-A 42 и elav-Gal4; Модел UAS-A 42 (Таблица 1).

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

Системата UAS/Gal4 е използвана за разработване на модели на AD мухи чрез експресиране на човешка бета-секретаза (BACE) или амилоиден прекурсорен протеин (APP) под контрола на драйвер elav-Gal4, който се експресира специфично в неврони. Тези мухи показват повишено отлагане на амилоид в невроните, загуба на способност за катерене и повишена невродегенерация. Скорошно проучване допълнително показа връзката между усвояването на кефир и AD в elavGal4; UAS-BACE/UAS-APP лети. Кефирът е пробиотик, който съдържа пет основни бактериални вида: L. kefiranofaciens (21,96%), L. kefir (0.2%), A. labarum (0.17%), Lactococcus lactis ( 0.004%) и Rickettsiales (0,001%). Основните метаболити, присъстващи в кефира, са хексан (Hex), дихлорометан (DCM), етил ацетат (EtOAc) и n-бутанол (But-OH). Прилагането на кефир на мухи с модел на AD подобрява способността им за катерене, подобрява степента на оцеляване и потиска невродегенерацията. Освен това, въпреки че четирите налични метаболита, ако кефирът са били в състояние поотделно да подобрят активността на катерене при AD мухи, само EtOAc и But-OH са били в състояние да удължат живота на AD модела Drosophila [41].

Westfall и др. разработи симбиотична формула, съдържаща L. plantarum NCIMB 8826 (Lp8826), L. fermentum NCIMB 5221 (Lf5221) и Bifidobacteria longum spp. infantis NCIMB 702255 (Bi702255), заедно с 0,5% TFLA (полифенолен растителен екстракт от стомашно-чревния тоник Triphala) на прах. Третиране на elav-Gal4; Мухите UAS-BACE/UAS-APP с тази симбиотична формула намаляват експресията на Drosophila инсулиноподобен пептид (Dilp), включително Dilp2 и Dilp3, и Dilp рецептори, като има предвид, че повишава dFOXO и експресията на двойна оксидаза на вроден имунен фактор и насърчава IMD ​​сигнализиране. Нещо повече, симбиотичната формулировка намалява нивата на общите оксиданти, потиска липидната пероксидация (LPO) и възстановява активността на комплексите на митохондриалната електрон-транспортна верига (ETC) в AD модели мухи [42].

5.3. Модел GMR-A 42 Fly

GMR-A 42 AD моделът на муха е разработен чрез експресиране на човешки A 42 трансген под контрола на стъклен мултимерен репортер (GMR)-Gal4 драйвер, който се експресира в клетки на ретината. Тези мухи проявяват фенотип на грубо око поради невродегенерация и този модел се използва широко за изследване на механизмите, които са в основата на развитието на AD [109]. Liu и др. показаха, че храненето с L. sakei Probio 65 и L. paracasei 0291 значително намалява свързаната с AD невродегенерация при GMR-A 42 AD модел мухи [43]. Освен това, Tan et al. съобщава, че Lactobacillus спасява фенотипа на грубото око при AD мухи, особено щама L. plantarum DR7. L. plantarum DR7 може да възстанови разнообразието на чревната микробиота в мухи с AD модел чрез увеличаване на изобилието на Stenotrophomonas и Acetobacter, като същевременно намалява това на Wolbachia [44].

5.4. elav-Gal4; Модел UAS-A 42 Fly

Този AD модел на мухи е разработен чрез експресиране на човешки A 42 под контрола на паневронния драйвер elav-Gal4. Подобно на други AD модели мухи, elav-Gal4; Мухите UAS-A 42 показват намалени нива на оцеляване и намалени способности за катерене. Освен това, изобилието от семейства Acetobacteraceae и Lactobacillaceae е намалено в червата на тези мухи, особено Acetobacter и Lactobacillus. Използвайки GC-MS, беше установено, че нивата на ацетат, който е най-разпространената късоверижна мастна киселина (SCFA) при мухите, намаляват драстично при модел на AD мухи [45]. Проучванията in vitro и in vivo показват, че SCFAs играят потенциална роля за намаляване на нивата на A и смекчаване на неговите токсични ефекти [110,111]. Освен това чревната дисбиоза, причинена от инфекция с непатогенна ентеробактерия (Ecc15) при възрастни мухи, насърчава набирането на хемоцити в мозъка, което води до медиирана от TNF-JNK невродегенерация, водеща до развитие на AD [46].
6. Болест на Паркинсон

Болестта на Паркинсон (PD) е неврологично заболяване, което засяга хората главно в по-късните години от живота. Като цяло, PD рядко се наблюдава при лица под 40 години и се изчислява, че около 1% от хората над 60 години и 0,3% от цялото население развиват това заболяване [112–114] . Натрупването на -синуклеин-съдържащи телца на Lewy и загубата на допаминергични неврони в substantia nigra са основните патологични промени, наблюдавани при пациенти с PD. Двигателните характеристики, които обикновено се наблюдават при пациенти с ПД, включват тремор, ригидност и брадикинезия. Освен това, общи немоторни характеристики, наблюдавани при пациенти с PD, са дисфункция на съня, автономна дисфункция и хипосмия [115]. Въпреки че причините за развитието на PD са все още неизвестни, основните рискови фактори включват възраст, фактори на околната среда и генетика.

6.1. Чревна микробиота и PD в Drosophila

Съобщава се, че при пациенти с PD, изобилието от Enterobacteriaceae в червата е положително свързано с тежестта на постуралната нестабилност [46]. Освен това се съобщава, че при пациенти с ПД изобилието на Prevotellaceae, Blautia spp., Coprococcus spp., Roseburia, Faecalibacterium spp. и Prevotella spp. в червата. Намалява се, докато тази на E. coli, Ralstonia, Lactobacillus, Bifidobacterium, Verrucomicrobiaceae, Bacteroides, Parabacteroides, Akkermansia, Butyricimonas, Veillonella, Odoribacter, Mucispirillum и Bilophila се увеличава [12,116–119]. Въпреки това, ефектите на чревната микробиота върху патогенезата на PD остават неясни. Моделът на PD на Drosophila е използван за изследване на връзката между PD и чревната микробиота. Подобно на AD модела, има две моделни системи за изследване на PD в Drosophila: elav-Gal4; UAS-Synuclein модел и PINK1 мутантния модел (Таблица 1), както е описано по-долу.

6.2. оставяне-Gal4; Модел на UAS-Synuclein Fly

При пациенти с PD има мултиплициране на мутации (A53T, A30P или E46K) в синуклеиновия ген. Моделите на Fly PD са разработени чрез експресиране на мутантния -синуклеин под контрола на драйвер elav-Gal4. Ho et al. използва A53T мутантния човешки -синуклеинов протеин под драйвера elav-Gal4, за да развие мухи с характеристики, подобни на PD. Тези мухи показват загуба на допаминергичните неврони в зряла възраст и локомоторна дисфункция.
Третиране с 3-хидроксибензоена киселина (3-HBA),3,4-дихидроксибензоена киселина (3,4-diHBA) и 3-(3- хидроксифенил)пропионова киселина (3- HPPA), които са метаболити на фенолна киселина, инхибират -синуклеинова агрегация in vitro и подобряват локомоторната активност на PD модели мухи. Съобщава се, че Bacteroides ovatus може да преобразува флаванолите катехин и епикатехин в DHCA, 3,4-diHBA и 3-HBA. Освен това B. ovatus, Eggerthella lenta и Escherichia coli могат да произвеждат 3-HPPA, 3,4- diHBA и 3-HBA чрез метаболитни процеси, независими от катехин и епикатехин. Тези открития предполагат, че чревната микробиота може да повлияе на патогенезата на PD чрез модулиране на диетичните флаваноли [47].

6.3. PINK1 Модел муха муха

PTEN-индуцирана киназа 1 (PINK1), ядрено кодирана митохондриална серин/треонин протеин киназа, е свързана с PD. При животински модели с PINK1 генни мутации се наблюдават промени и симптоми, свързани с PD, като фрагментирани митохондриални кристи, повишена чувствителност към оксидативен стрес, локомоторни дефекти и загуба на допаминергични неврони [113,120]. Следователно PINK1 с мутации на загуба на функция се използва за разработване на PD модел мухи. Xu и др. показаха, че PD мухите с PINK1 мутации показват намалена продължителност на живота, дефекти при катерене и полет, дегенерирани летящи мускули и загуба на допаминергични неврони. Доказано е, че съединението епигалокатехин-3-галат (EGCG), основен полифенол, присъстващ в зеления чай, може да намали симптомите на PD. Освен това, EGCG може да възстанови разнообразието на микробиотата в PD мухите чрез намаляване на изобилието на Proteobacteria в червата и увеличаване на изобилието на Firmicutes и Bacteroidetes в червата. Освен това, при PD мухи, чревното изобилие на бактерията Lactobacillus и Acetobacter се увеличава, но в групите, лекувани с EGCG, то намалява изобилието на Acetobacter и L. plantarum и спасява локомоторните дефекти. Освен това увеличаването на изобилието на L. plantarum в третирани с EGCG PD мухи намалява ефикасността на този полифенол. По този начин, EGCG осигурява невропротекция чрез въздействие върху чревната микробиота при PD мухи [48].

7. Разстройство от аутистичния спектър

Разстройството от аутистичния спектър (ASD) е разстройство на неврологичното развитие, което се проявява в ранна детска възраст. Характеризира се със сложни поведенчески фенотипове и дефицити както в социалните, така и в когнитивните функции; въпреки това, точната причина за ASD все още не е известна [121,122]. През последните години беше идентифицирана връзката между генетичните фактори и ASD, включително вариации в броя на копията, единични нуклеотидни полиморфизми и епигенетични промени. Освен генетиката, факторите на околната среда, като замърсители на въздуха и пестициди, също играят ключова роля в ASD [122,123]. Наскоро моделът Drosophila беше използван за изследване на връзката между ASD и ремоделирането на хроматина, пост-транскрипционната регулация, протеиновия синтез/разграждане и молекулите на клетъчната адхезия [124]. POGZ кодира хетерохроматиновия протеин 1 -свързващ протеин, който е критичен за ремоделирането на хроматина при хората. Смята се, че POGZ функционира като транскрипционен регулатор, който е от решаващо значение за невронните функции [125]. Понижаването на реда, ортологът на Drosophila на POGZ, в невроните, води до дефицит на привикване, което е форма на неасоциативно обучение [125]. Еухроматин хистон метилтрансфераза (EHMT) е друг пример за рисков ген за ASD, свързан с ремоделиране на хроматин [126–128]. Загубата на EHMT при Drosophila води до дефицит на учене и памет и значително намаляване на дендритните крайни числа, разклонения от по-висок ред и сложност на дендритните полета [129].

Последните проучвания показват, че протеините от семейството KDM5 са от решаващо значение за ASD. Протеините от семейство KDM5 са хистонови деметилази, които регулират модификацията на хистон H3K4me3, която е свързана с промотори на транскрипционно активни гени [130,131]. Мутации със загуба на функция в протеини от семейство KDM5 са докладвани при пациенти с ASD [132,133]. Освен това, kdm5c нокаут мишки също проявяват необичайно обучение и социално поведение поради намалена плътност на гръбначния стълб [134,135]. Мухите, носещи мутантния човешки kdm5c (kdm5A512P), показват дефекти в ученето и паметта [136]. Освен това, тези мухи проявяват поведенчески дефекти и промени в нивото на транскрипция, които са подобни на мутантен алел, който премахва деметилазната активност. Тези проучвания предполагат, че протеините от семейство KDM5 са критични за ученето, паметта и социалното поведение на тяхната ензимна функция за генно активиране [136].

Няколко поведенчески анализа могат да бъдат използвани за изследване на ASD в модела на Drosophila. Анализите на социалното пространство първоначално са разработени от Simon et al. за изследване на ASD при възрастни мухи [137]. Този анализ се извършва в тестова камера с две квадратни стъклени плочи (18 × 18 cm), разделени от 0.5 cm разделител, позволяващ на мухите да бъдат в пространството. Вътрешното пространство е триъгълно с височина и основа 15,3 cm всяка. Мухите се поставят на дъното на камерата и всички мухи започват да се изкачват от една и съща начална точка на дъното. След 20 минути разстоянието между най-близките съседи се измерва с помощта на камера [137]. Освен анализите на социалното пространство, анализът на активността на Drosophila също често се използва при модели на мухи с ASD [138].

Чен и др. предполага, че KDM5 протеините влияят на социалното поведение чрез регулиране на състава на чревната микробиота [49]. При хората семейството на KDM5 се състои от четири члена, докато при Drosophila присъства само един ортолог на KDM5 [139]. Чен и др. генерира мухи с kdm5-дефицит и показа, че загубата на kdm5 води до дисфункция на чревната бариера и промени в социалното поведение. В допълнение, дефицитът на KDM5 в чревните тъкани променя състава на микробиотата, което води до дефекти на чревната бариера. Въпреки това, прилагането на пробиотик Lactobacillus или антибиотик на мухи с дефицит на kdm5- частично спасява поведенческите и клетъчните фенотипове и удължава продължителността на живота (Таблица 1). Освен това, KDM5 транскрипционно регулира сигналния път на имунната недостатъчност (IMD) и поддържа бактериалната хомеостаза по деметилаза-зависим начин [134]. Тези проучвания предполагат, че насочването към чревната микробиота може да бъде възможен клиничен терапевтичен подход за лечение на пациенти с ASD с анормално IMD сигнализиране [49].

8. Изводи

Тъй като Drosophila съдържа проста чревна микробна общност, лесно е да се разберат механизмите, чрез които оста микробиота-черва-мозък влияе върху сложното поведение на животните. Освен това са разработени няколко модела на мухи на невродегенеративни заболявания, позволяващи на учените да изследват връзката между чревните микроби и невронните разстройства, което може да проправи пътя към транслационни изследвания на пробиотиците.

Този преглед подчертава важността на последните открития за връзката между чревната микробиота и невронните функции, поведението и невродегенеративните заболявания в модела на Drosophila. Чревната микробиота влияе на температурната толерантност, поведението на съня, локомоторната активност, стратегията гостоприемник-аутбрейд и агресивното поведение, всички от които са вродени поведения. Въпреки че има някои противоречия по отношение на връзката между чревната микробиота и поведението, ние спекулираме, че тези разлики може да се дължат на различни генотипове на гостоприемника и диети, използвани в различни проучвания. Въпреки това, проучванията върху съня и локомоторното поведение на Drosophila ни предоставят улики, че чревната микробиота действа като невромодулатор на невронните вериги [34].

Връзката между наученото поведение и чревната микробиота остава слабо разбрана. Силва и др. съобщават, че чревната микробиота засяга апетитната дългосрочна памет, обучението за ухажване и дългосрочната памет за ухажване [34]. Въпреки че ролята на оста микробиота-черва-мозък в стареенето остава неясна, ние научихме от плодовите мушици, че промените в начина на живот или диетата могат да подобрят продължителността на живота [40]. Освен това, проучвания върху модел на муха предполагат, че пиенето на мляко с кефир и приемането на симбиотични формулировки или пробиотични добавки намалява симптомите на AD [41,42,44].

Благоприятните ефекти на пробиотичните добавки и зеления чай, съдържащ EGCG, върху симптомите на PD са показани при мухи [116,118]. В бъдещи проучвания приоритетът ще бъде разработването на нови експериментални настройки, които улесняват асептични условия за строг контрол и прецизна манипулация на чревната микробиота при плодови мушици [34]. Вярваме, че моделът на Drosophila може да ни помогне да разберем принципа, който е в основата на оста микробиота-черва-мозък и скоро да идентифицираме потенциалните пробиотици от следващо поколение (NGP).

Авторски принос:

Концепция или дизайн на това произведение: C.-HL и C.-LW; Писане на ръкописа: M.-HC, S.-MH, H.-YW, Y.-CL, C.-HL и C.-LW; Изготвяне на фигури и таблици: M.-HC и S.-MH; Предложения и дискусии: W.-HT и TW; Окончателно одобрение: всички автори. M.-HC и S.-MH еднакво допринесоха за тази работа. Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране:

Това изследване е финансирано от безвъзмездни средства от Science Park, Министерството на науката и технологиите (109CB01), Министерството на науката и технологиите (109-2326-B-182-001-MY3, 109-2320-B{{6} }MY3 и 109-2320-B-182-029-MY3), Мемориална болница Chang Gung (CMRPD1K0311-2, CMRPD1K0361 и BMRPC75) и проектът Higher Education Sprout, финансиран от Министерството на науката и технологиите и Министерство на образованието.

Благодарности:

Авторите биха искали да благодарят на редактора и рецензентите за тяхната редакторска помощ и техните ценни коментари. Благодарим на членовете на лабораториите на CH Lai и CL Wu за техните критични коментари по този ръкопис.

Конфликти на интереси:

Авторите декларират липса на конфликт на интереси. Финансиращите нямат никаква роля в дизайна на проучването; при събирането, анализите или тълкуването на данни; в написването на ръкописа или в решението за публикуване на резултатите.

Препратки

Конопка, RJ; Benzer, S. Часовникови мутанти на Drosophila melanogaster. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ 1971, 68, 2112–2116. [CrossRef]

2. Дау, Масачузетс; Schilcher, FV Агресия и успех на чифтосване в Drosophila melanogaster. Nature 1975, 254, 511–512. [CrossRef] [PubMed]

3. Хол, JC Чифтосването на муха. Наука 1994, 264, 1702–1714. [CrossRef] [PubMed]

4. Tempel, BL; Бонини, Н.; Доусън, DR; Quinn, WG Възнаграждаване на обучението при нормална и мутантна Drosophila. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ 1983, 80, 1482–1486. [CrossRef] [PubMed]

5. Тъли, Т.; Куин, WG Класическо кондициониране и задържане в нормална и мутантна Drosophila melanogaster. J. Comp. Physiol. 1985, 157, 263–277. [CrossRef] 6. Siegel, RW; Hall, JC Условни реакции в поведението на ухажване на нормална и мутантна Drosophila. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ 1979, 76, 3430–3434. [CrossRef]

7. Feany, MB; Bender, WW Дрозофила модел на болестта на Паркинсон. Nature 2000, 404, 394–398. [CrossRef]

8. Cowan, CM; Шепърд, Д.; Mudher, A. Прозрения от Drosophila модели на болестта на Алцхаймер. Biochem. Soc. прев. 2010, 38, 988–992. [CrossRef]

9. вторник, NT; Dat, TQ; Ly, LL; Anh, VD; Yoshida, H. Прозрения от Drosophila melanogaster модел на болестта на Алцхаймер. Отпред. Biosci. 2020, 25, 134–146. [CrossRef]

10. О'Хара, AM; Shanahan, F. Чревната флора е забравен орган. EMBO Rep. 2006, 7, 688–693. [CrossRef]

11. Fung, TC; Олсън, Калифорния; Hsiao, EY Взаимодействия между микробиотата, имунната и нервната система при здраве и болест. Нац. Neurosci. 2017, 20, 145–155. [CrossRef] [PubMed]

12. Лин, CH; Чен, CC; Chiang, HL; Liou, JM; Chang, CM; Lu, TP; Chuang, EY; Тай, YC; Cheng, C.; Лин, HY; et al. Променена чревна микробиота и възпалителни цитокинови отговори при пациенти с болестта на Паркинсон. J. Neuroinflamm. 2019, 16, 129. [CrossRef] [PubMed]

13. Де Палма, Г.; Lynch, MD; Lu, J.; Dang, VT; Deng, Y.; Джури, Дж.; Umeh, G.; Миранда, PM; Пиграу Пастор, М.; Сидани, С.; et al. Трансплантацията на фекална микробиота от пациенти със синдром на раздразнените черва променя функцията на червата и поведението при реципиентни мишки. Sci. Превод Med. 2017, 9, eaaf6397. [CrossRef] [PubMed]

14. Hsiao, EY; Макбрайд, ЮЗ; Hsien, S.; Шарън, Г.; Hyde, ER; МакКю, Т.; Codelli, JA; Чоу, Дж.; Reisman, SE; Petrosino, JF; et al. Микробиотата модулира поведенческите и физиологичните аномалии, свързани с разстройства на неврологичното развитие. Cell 2013, 155, 1451–1463. [CrossRef] [PubMed]

15. Strandwitz, P. Невротрансмитерна модулация от чревната микробиота. Brain Res. 2018, 1693, 128–133. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com