변비는 파킨슨병(PD)의 흔한 전구 증상으로, 진단을 받기 몇 년 전에 나타나는 경우가 많습니다. 이 연구는 Drosophila melanogaster에서 변비를 측정하기 위해 제안된 방법을 검증했으며, 단일 유전자 PD의 다른 파리 모델에서 결핍이 확인되었습니다.
방법 논문
변비는 파킨슨병(PD)의 흔한 전구 증상으로, 진단을 받기 몇 년 전에 나타나는 경우가 많습니다. 이 연구는 Drosophila melanogaster에서 변비를 측정하기 위해 제안된 방법을 검증했으며, 단일 유전자 PD의 다른 파리 모델에서 결핍이 확인되었습니다.
파킨슨병(PD)은 흔한 신경퇴행성 운동 질환이며 종종 여러 가지 비운동 증상을 동반합니다. 후자의 경우, 변비를 포함한 위장 문제는 운동 장애가 나타나기 몇 년 전, 그리고 파킨슨병 진단이 확정되기 전에 나타나는 경우가 많습니다. 최근 연구에서는 야생형 인간 알파-시누클레인을 발현하는 PD 플라이 모델에서 변비를 측정하는 방법을 제안했습니다. 본 연구에서는 이 방법의 타당성을 조사하고 다른 유전적 파리 PD 모델도 마찬가지로 변비를 유발하는지 여부를 테스트했습니다. 3개의 서로 다른 돌연변이 인간 알파-시누클레인 발현 초파리 라인과 Pink1 및 Parkin-결핍 파리를 포함한 상염색체 우성 및 열성 PD 모델에서 변비 수준을 측정하기 위해 사용 가능한 플라이 라인을 사용했습니다. 이 파리와 그에 상응하는 대조군은 푸른 배설물 반점을 유도하기 위해 실험 하루 전에 파란색 음식에 놓였습니다. 실험 당일, 이 파리들은 표준 옥수수 가루로 옮겨졌습니다. 전체 배설물 반점에 대한 푸른 배설물의 비율은 90분마다 기록되고 계산되었습니다. 서로 다른 파리 PD 모델은 각각의 대조 파리에 비해 파란색 음식의 느리거나 불완전한 배출을 보여줍니다. 따라서 변비를 측정하기 위해 이전에 제안된 방법이 검증되어 다양한 형태의 유전적 PD의 다양한 파리 모델에 적용되었습니다.
파킨슨병(PD)은 주로 서동증, 경직 및 떨림의 주요 진단 징후를 포함하여 운동 기능 장애를 특징으로 하는 신경 퇴행성 질환입니다. 파킨슨병은 운동 징후로 가장 잘 알려져 있지만, 우울증, 통증, 수면 장애, 변비 등 비운동 증상이 흔합니다 1,2. 이러한 비운동 증상은 질병 진행 초기에 나타나며 운동 증상보다 몇 년 먼저 나타날 수 있습니다3. 질병의 초기 단계에서 이러한 비운동 기능을 인식하는 것은 파킨슨병의 조기 진단에 중요할 수 있으며, 잠재적으로 보다 시기 적절한 개입 및 질병 관리를 촉진할 수 있습니다.
변비 및 장 운동성의 변화는 파킨슨병에서 흔히 보고되는 비운동 증상이며, 운동 증상이 시작되기 훨씬 전에 나타나는 경우가 많습니다 3,4. 또한, 파킨슨병이 진행됨에 따라 중증도와 빈도가 증가한다5. 그럼에도 불구하고 변비 패턴과 메커니즘에 대한 우리의 이해는 여전히 제한적입니다. 따라서 PD와 관련된 변비를 조기에 식별하면 치료 개입이 질병 진행을 늦추는 데 더 효과적일 수 있는 단계에서 PD를 진단하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그 중요성에도 불구하고, 파킨슨병에서 변비를 유발하는 근본적인 메커니즘에 대한 이해는 여전히 제한적이며, 부분적으로는 적절한 실험 모델과 설계가 부족하기 때문입니다. 인간 야생형 알파 시누클레인의 과발현을 사용하여 Drosophila melanogaster의 변비 연구에 대한 최근의 발전은 이러한 초기 비운동 증상6의 기저에 있는 메커니즘을 조사하기 위한 귀중한 도구를 제공합니다.
알파-시누클레인을 암호화하는 SNCA는 PD7의 첫 번째로 확인된 원인입니다. SNCA의 유전자 증식(gene multiplication, duplication and triplication)과 점 돌연변이(point mutation)는 모두 PD8의 상염색체 우성 유전(autosomal dominant inheritance)을 유도합니다. 특히 변비는 SNCA 돌연변이를 가진 환자의 최대 90%에 영향을 미친다5. 또한, 돌연변이가 발생했을 때 PD를 유발하는 몇 가지 다른 유전자가 확인되었는데, 그 중 VPS35는 PD8의 상염색체 우성 형태를 유발합니다. PINK1 및 Parkin과 같은 다른 유전자는 돌연변이가 발생할 때 상염색체 열성 PD를 유발합니다9. 비운동 증상은 이러한 다른 유전적 형태의 PD에서도 발생합니다. 그러나 보고된 데이터는 희박하기 때문에 기본 메커니즘을 결론짓거나 조사하기 어렵습니다10,11.
PD를 위한 여러 동물 모델이 만들어졌는데, 그 중에는 Drosophila melanogaster12도 포함되어 있다. 초파리 에는 SNCA 유전자가 포함되어 있지 않지만, 유전자의 야생형 및 돌연변이 형태의 과발현은 운동 증상을 포함한 파킨슨병 표현형을 유발합니다13. 또한, PD 연관 돌연변이 vps35, pink1 및 parkin 파리는 PD12와 관련하여 각 돌연변이 유전자의 영향을 연구하기 위한 잘 정립된 모델입니다. 또한, 우성 및 열성 형태를 포함한 PD의 다양한 초파리 모델에서 변비를 측정할 수 있는 능력은 위장 기능 장애에 대한 보다 심층적인 분석을 가능하게 하며, 따라서 PD 관련 변비와 관련된 경로를 더 잘 이해할 수 있습니다.
여기서, 최근 제안된 변비 측정 방법의 타당성을 서로 다른 유전자 PD 모델을 사용하여 평가하고 검증했습니다6 . 이 방법의 적용을 다른 유전자 PD 모델로 확대하고 조정을 통해 변비 또는 변경된 장 운동성을 측정하기 위한 일반적인 분석법으로 이 방법의 타당성을 확인하고 PD의 변비의 기저에 있는 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해 변형 검사를 수행할 가능성을 지지합니다.
이 분석에는 10일 된 수컷 파리가 사용되었습니다. SNCA의 과발현을 위해 유비쿼터스 드라이버 DaughterlessGal4 가 사용되었습니다.
이 분석에 사용된 파리:
파1118;; SNCA p.A53T/DaGal4 및 그 제어 파1118;; 에스엔씨아이 p.A53T
파1118;; SNCA p.A30P/DaGal4 및 그 제어 파1118;; 에스엔씨카 p.A30P
파1118;; SNCA p.V15A/DaGal4 및 그 제어 파1118;; 에스엔씨카 p.V15A
파1118;; Vps35D650N/DaGal4 및 그 제어 파1118;; VPS35D650N
w pink1B9;; 그리고 그들의 통제력 w pink1RV;;
파1118;; 공원D1/D21 및 그들의 통제 w1118;; 공원RV
SNCA p.A53T, SNCA p.A30P, w*;; P(EP)공원1, w*;; parkΔ21, Vps35,D650N 및 DaGal4 는 상업적으로 획득되었다( 재료표 참조). w pink1B9 null mutants 및 control(w pink1RV)은 Jeehye Park and Jongkyeong Chung (Korea Advanced Institute of Science and Technology)14에 의해 제공되었다. SNCA p.V15A 파리는 이전에15마리를 만들었습니다. 이 연구에 사용된 시약과 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 블루 푸드의 준비
2. 분석 준비
3. 변비 분석 시행
4. 분석
파리7 의 변비를 측정하고 다른 유전적 PD 관련 파리 모델에서 장 기능을 테스트하기 위해 이전에 제시된 방법을 약간 조정했습니다. 하룻밤 동안 파란색의 배지에서 파리를 배양한 결과, 파리의 배가 파랗게 보였고(그림 2), 배설물이 파리 먹이 바이알에 푸른 반점을 남겼습니다(그림 2). 시간이 지남에 따라 파란색 배는 정상적인 노란색 배로 돌아왔습니다(그림 2). 또한, 푸른 분변 반점이 줄어들었고, 노란색의 불투명한 반점이 증가하는 것이 관찰되었습니다(그림 2). 파란색 반점에서 노란색 반점으로의 이러한 변화는 장 운동성 또는 변비의 수준을 가늠할 수 있게 해줍니다. 전이는 대조 파리에서 7시간 30분 후에 완료된 반면, PD 관련 파리에서는 파란색 배지의 제거가 더 느린 속도로 발생했습니다(그림 2).
이전에, 야생형 알파-시누클레인7을 발현하는 10일 된 파리에서 청색 배지의 지연된 정리가 설명되었으며, 이는 대조군 파리와 비교하여 이러한 파리에 존재하는 장 운동성의 변화로 인한 변비 수준 또는 지연된 정리를 시사했습니다. SNCA의 중복 또는 삼중 외에도 PD와 관련된 SNCA 에서 여러 병원성 미센스 변이체가 확인되었으며, SNCA에서 세 가지 일반적인 병원성 미센스 변이체를 테스트했습니다. 돌연변이 알파 synuclein (p.A30P, p.A53T 및 p.V15A)의 발현은 7 h 30 분 이내에 청색 매체의 불완전한 정리를 초래했으며, 이는 대조군 파리와 비교하여 이러한 파리에 변비가 있음을 시사합니다 (그림 3).
알파-시누클레인은 PD의 상염색체 우성 형태와 관련이 있습니다. 흥미롭게도, 알파-시누클레인의 발현은 VPS35 단백질 수치를 감소시킵니다17. VPS35는 retromer의 subunit이며 돌연변이가 발생하면 PD 9,18,19를 유발합니다. 변비 증가는 대조군 파리에 비해 돌연변이 vps35 발현 파리에서 관찰되었습니다(그림 4).
Pink1 및 Parkin이 결핍된 파리는 청색 매질의 제거가 지연된 것을 나타냅니다. 그러나 7시간 30분이 지난 후 이 돌연변이 파리에서 더 이상 푸른 배설물이 검출되지 않았습니다(그림 5).

그림 1: 컬러 마커를 사용한 계수 과정의 개략도. 90분 후, 배설물을 세고 다음 라운드에서 다시 계산되지 않도록 컬러 마커로 표시했습니다. 다음 계수 라운드에서 추가 배설물을 나타내기 위해 다른 색상이 사용되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 파란색 매체는 파란색 배와 파란색 배설물 반점을 나타냅니다. (A) 0 h, 4 h 30 min 및 7 h 30 min 시점에서 control fllies (pink1RV) 및 pink1-mutant flies의 배 이미지는 파란색의 퇴색을 보여줍니다. (B) 플라이 푸드 바이알의 파란색과 노란색, 불투명한 배설물은 빨간색 화살표로 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 돌연변이 알파 synuclein의 발현은 변비를 초래합니다. SNCA p.A30P(A), SNCA p.A53T(C) 및 SNCA p.V15A(E)를 과발현하는 파리와 각각의 대조군에서 시간 경과에 따른 푸른 분변 반점의 비율. 곡선 아래의 관련 영역(B,D,F)이 표시됩니다. 데이터는 평균과 표준 편차입니다. n 바이알당 15-20마리의 플라이가 있는 3개의 바이알≥. Welch의 T-검정이 수행되었습니다. *: p < 0.05; **: p < 0.01; : p < 0.001. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 돌연변이 vps35의 발현은 변비를 유발합니다. (A) PD 관련 돌연변이 vps35D650N 및 그 대조군을 과발현하는 파리에서 시간 경과에 따른 푸른 배설물 반점의 비율. (B) 곡선 아래 영역이 표시됩니다. 데이터는 평균과 표준 편차입니다. N = 바이알당 15-20마리의 파리가 있는 3개의 바이알. Welch의 T-검정 이 수행되었습니다. : p < 0.001. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: Pink1 및 Parkin 결핍은 대변 제거 지연을 유발합니다. Pink1-(A) 및 Parkin-deficient(C) 및 해당 대조 파리에서 시간 경과에 따른 파란색 배설물 반점의 비율. 곡선 아래의 관련 영역(B,D)이 표시됩니다. 데이터는 표준 편차가 있는 평균입니다. n 바이알당 15-20마리의 플라이가 있는 3개의 바이알≥. Welch의 T-검정이 수행되었습니다. *: p < 0.05; : p < 0.0001. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
최근에는 Drosophila melanogaster 의 변비를 측정하는 방법이 제안되었습니다. 이 방법의 적용으로, 변비 또는 변경된 소화관 운동성은 야생형 알파 synuclein7을 발현하는 파리에서 관찰되었다. 이 방법은 몇 가지 변경으로 검증되었으며 테스트된 모든 유전자 PD 모델에서 변비가 확인되었습니다.
이 방법에 대한 원래 설명과 비교하여 타당성과 견고성을 높이기 위해 몇 가지 변경 사항이 통합되었습니다. 청색 배지 포화도의 변화를 방지하기 위해, 한 배치의 청색 배지를 준비하고 필요한 수의 식품 바이알로 나누었습니다. 더욱이, 파리를 청색 배지에 추가하기 전에는 잠시 동안 먹이를 빼앗기고 물만 얻을 수 있었습니다. 이 단계는 청색 매체의 흡수를 자극하기 위해 추가되었습니다. 이 추가 단계가 없으면 모든 파리가 명확한 파란색 배를 보이지 않았으며, 이는 대표적인 결과를 얻기 위한 중요한 출발점이 되었습니다. 마지막으로, 여러 PD 플라이 모델은 뱅 감도수준 13,14,20을 보여줍니다. 따라서 배설물 배출에 대한 이러한 민감도의 영향을 피하기 위해 각 계수 단계에서 파리를 옮기지 않았습니다. 그러나 이중 계산을 피하기 위해 반점을 표시하기 위해 다른 색상의 마커를 사용했습니다.
원래의 설명과 유사하게, 파리가 오후에 배변하는 빈도가 줄어드는 것도 관찰되었습니다. 그럼에도 불구하고, 이것은 대조군 파리와 돌연변이 파리 모두에 해당하기 때문에, 이것은 반점 기록에 이상을 초래하지 않았습니다. 또한 각 시점에서 계수할 수 있는 충분한 배설물을 확보하는 것이 확실한 결과를 얻는 데 중요합니다. 따라서 바이알당 최소 15마리의 파리를 사용하는 것이 좋습니다7.
원래 원고에서는 10일 된 파리에서는 변비가 관찰되었지만, 1일 된 파리에서는 관찰되지 않았다. 따라서, 본 분석법에서, 변비 분석은 10일 된 파리에서 수행되었으며, 변비 또는 변화된 장 운동성은 시험된 모든 PD 파리 모델에서 관찰되었다. 이전의 운동 연구는 알파 시누클레인 발현 파리에서 변비가 운동 기능 장애보다 선행한다는 것을 밝혔으며, 비행 장애는16세의 3주가 되어서야 명백해졌다. 이러한 증상의 일시적 순서는 PD 환자에서 관찰되는 진행 상황을 반영하며, 위장 문제는 종종 운동 기능 결핍보다 먼저 나타납니다. 알파-시누클레인 모델과는 대조적으로, 핑크1 또는 파킨 돌연변이 파리는 eclosion21 후 1일차부터 장애를 보인다. 따라서 이 초기 시점에서 장 통과 결함이 나타나는지 여부를 조사하는 것은 이러한 유전자 모델에서 비운동 증상의 진행에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 것입니다. 따라서 기본 생물학을 더 깊이 이해하기 위해 보다 심층적인 실험을 수행해야 합니다.
여기에 설명된 분석은 위장 운동성 및 변비 표현형의 정량적 평가를 용이하게 하지만 대변 일관성, 함량, 착색 또는 형태와 같은 매개변수는 평가할 수 없습니다. 이전에는 분변 배출량을 측정했으며, 초파리 모델 22,23,24에서 확립된 방법론을 사용하여 색상과 형태를 평가했습니다. 그러나 이 분석에는 특수 장비(예: 투명도 스캐너)와 전용 분석 소프트웨어가 필요하므로 여기에 설명된 프로토콜과 비교하여 고유한 기술 및 리소스 고려 사항이 필요합니다. 그럼에도 불구하고, 이 분석법은 Pink1이 결핍된 파리의 위장 결함을 보여줍니다22,23.
위장 기능 장애는 자폐 스펙트럼 장애, 알츠하이머병 및 다발성 경화증을 포함한 여러 신경 및 신경 퇴행성 장애에서 동반 이환 증상으로 인식되며, 25,26,27,28 초파리 멜라노가스터(Drosophila melanogaster)는 기계론적 토대를 조사하기 위한 다루기 쉬운 모델 유기체 역할을 합니다. 초파리의 장 운동성과 변비를 연구하기 위해 확립된 방법론적 틀은 이러한 질병에 외삽될 수 있습니다.
결론적으로, 본 연구는 파리의 변비를 측정하기 위해 이전에 제시된 실현 가능하고 강력한 방법을 확인했다. 이 분석은 변비 연구에 특히 적합한 여러 유전자 초파리 PD 모델에 변비가 존재한다는 것을 보여주며, 이는 운동 특징의 징후가 나타나기 전에 유전적으로 정의된 위험에 처한 파리를 연구할 수 있는 기회를 제공하기 때문입니다. 또한, 장내 운동성 불규칙성을 나타내는 초파리 의 다른 질병 모델은 약물 스크리닝뿐만 아니라 이를 통해 평가할 수 있습니다.
C. K는 Centogene, Takeda, Biogen 및 Lundbeck Foundation에서 컨설턴트로 활동했으며, Bial로부터 연사 표창을, DFG, MJFF 및 ASAP로부터 연구 자금을 지원받았습니다.
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