U eukariontów fosforylacja oksydacyjna zachodząca w łańcuchu transportu elektronów w mitochondriach jest głównym motorem produkcji energii w postaci ATP. Reaktywne formy tlenu (ROS) są naturalnym produktem ubocznym tego procesu. Pomimo ich ważnej roli jako cząsteczek sygnałowych, nadmierne ROS mogą prowadzić do uszkodzenia DNA, karbonylacji białek i utleniania lipidów. Brak równowagi między produkcją ROS a detoksykacją powoduje stres oksydacyjny, który prowadzi do wyczerpania energii, uszkodzenia komórek i wyzwala śmierć komórki1,2. Stres oksydacyjny przyczynia się do starzenia się i rozwoju wielu chorób zagrażających życiu, w tym nowotworów, cukrzycy, chorób sercowo-naczyniowych i neurodegeneracyjnych3-9.
Komórki rozwinęły enzymatyczne i nieenzymatyczne strategie obronne, aby utrzymać prawidłowy poziom ROS i chronić swoje składniki przed uszkodzeniem oksydacyjnym1,2. Enzymy dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) działają najpierw w celu przekształcenia ponadtlenku wH2O2, który jest następnie przekształcany w wodę przez enzymy katalazy lub peroksydazy. Nieenzymatyczne strategie obronne obejmują głównie cząsteczki, które reagują szybciej z ROS w porównaniu z makrocząsteczkami komórkowymi, chroniąc niezbędne składniki komórkowe. Pomimo ochronnej roli enzymów detoksykujących ROS, niektóre cząsteczki ROS wymykają się mechanizmom obrony antyoksydacyjnej i prowadzą do uszkodzeń oksydacyjnych. Wykrywanie, naprawa i degradacja uszkodzonych składników komórkowych są podstawowymi strategiami obronnymi podczas stresu oksydacyjnego1,2.
Szlaki sygnałowe związane z odpornością na stres, a w szczególności stres oksydacyjny, są wysoce ewolucyjnie konserwatywne10,11. W przeciwieństwie do eksperymentów z hodowlami komórkowymi, w których warunki organizmowe są tylko częściowo odtwarzane, badanie stresu oksydacyjnego w organizmach modelowych12,13 ma ogromne znaczenie. C. elegans to wolno żyjący nicień, który można łatwo i niedrogo hodować na trawniku bakteryjnym na podłożu agarowym. Jest niewielkich rozmiarów (około 1 mm długości) i zwykle rośnie jako samozapładniający się hermafrodyt, co ułatwia manipulacje genetyczne. Ma szybki cykl życiowy i wysoką zdolność reprodukcyjną, produkując około 300 potomstwa na pokolenie, co czyni go potężnym narzędziem do wykonywania badań genetycznych na dużą skalę14. Genom C. elegans jest w pełni zsekwencjonowany i przewiduje się, że 40-50% genów będzie homologami genów związanych z chorobami ludzkimi15-18. Knockdown genów będących przedmiotem zainteresowania za pomocą RNAi jest szybki i łatwy u C. elegans. Regulację genów w dół można osiągnąć poprzez karmienie zwierząt bakteriami E. coli, które zawierają plazmid wyrażający dwuniciowy RNA, który celuje w mRNA będące przedmiotem zainteresowania19. Dlatego określenie funkcji genów za pomocą wielkoskalowych badań przesiewowych RNAi ma ogromny wpływ na zrozumienie chorób człowieka, w tym nowotworów 20,21.
Badania odporności na stres oksydacyjny u C. elegans doprowadziły do zidentyfikowania zachowanych mechanizmów odporności na stres oksydacyjny13,22. Niektóre zidentyfikowane szlaki są powszechnymi szlakami, które modulują długowieczność i odporność na inne stresy, takie jak niedotlenienie, ciepło i stres osmotyczny. Szlaki te obejmują sygnalizację insuliny, sygnalizację TOR i autofagię. Inne kluczowe szlaki obejmują detoksykację ROS, takich jak enzymy dysmutazy ponadtlenkowej i enzymy katalazy, lub naprawę uszkodzeń, takich jak szok cieplny i białka opiekuńcze11,13,22.
Ten protokół opisuje, jak określić odporność na stres oksydacyjny C. elegans w cieczy. Użyliśmy flcn-1 (ok975) i zwierząt typu dzikiego, aby zademonstrować protokół, ponieważ wcześniej wykazaliśmy zwiększoną odporność na stres oksydacyjny po utracie flcn-1 (ok975) u C. elegans23. Wykazaliśmy również, że ta zwiększona odporność zależy od AMPK i autofagii, osi sygnalizacyjnej, która poprawia bioenergetykę komórkową i promuje odporność na stres 23. PQ jest stresorem oksydacyjnym, który zakłóca łańcuch transportu elektronów w celu wytworzenia reaktywnych form tlenu24. Ten sam test można dostosować i zastosować inne źródła ROS lub związki wytwarzające ROS, takie jakH2O2i rotenon. Podobne testy opracowano na płytkach, na których stosuje się niskie stężenia PQ25,26. Zaletą tego testu jest to, że jest bardzo szybki, a wyniki można uzyskać w ciągu jednego dnia. Ponadto całkowita objętość cieczy użytej do przeprowadzenia testu odporności na stres oksydacyjny w 96-dołkowych płytkach jest niska w porównaniu z objętością użytą do przygotowania płytek zawierających PQ. W związku z tym ilość PQ użytego w teście ciekłym jest niska, co sprawia, że test jest niedrogi i ogranicza produkcję odpadów toksycznych. Jednak ograniczenia tego testu w porównaniu z testami na płytkach obejmują brak pokarmu w teście ciekłym oraz niższe stężenie tlenu w cieczy w porównaniu z powietrzem. Są to ważne czynniki, które w niektórych przypadkach mogą mieć wpływ na wyniki. Dlatego zaleca się potwierdzenie odtwarzalności przy użyciu innych metod odporności na stres oksydacyjny w celu wsparcia wyników uzyskanych w tym teście.