Burada, bir çerçeve geniş menzilli diyet kısıtlaması gen ekspresyonu ve ömrü ile ilgili mevcut. Biz iletişim kuralları bu paradigma altında gen ekspresyonu kantitatif görüntüleme ve geniş menzilli diyet kısıtlaması için açıklar. Daha fazla bilgi işleme özellikleri genetik devrelerin temel gıda algılamalı içinde söz konusu ortaya çıkarmak için hesaplama analizleri anahat.
Duyu sistemleri hayvan tespit etmek, işlemek ve çevreleri için yanıt vermek için izin verir. Gıda bereket hayvan fizyolojisi ve davranışı üzerinde derin etkileri vardır çevresel bir ipucudur. Son zamanlarda, modülasyon uzun ömürlü gıda bereket tarafından Caenorhabditis elegans Yuvarlak solucanlar önceden tanınan daha karmaşık olduğunu gösterdi. Ömrü gıda düzeyindeki değişikliklere yanıt bilgi sinirsel bir devre içinde işlem kontrol ederek hareket belirli genler belirler. Bizim framework genetik analizi, yüksek üretilen iş nicel görüntüleme ve bilgi kuramı birleştirir. Burada, bu teknikler geniş menzilli diyet kısıtlaması için fizyolojik bir ilgisi vardır herhangi bir gen karakterize etmek için nasıl kullanılabileceği açıklanmaktadır. Özellikle, bu iş akışını nasıl bir gen ilgi ömrü geniş menzilli diyet kısıtlama altında düzenleyen ortaya çıkarmak için tasarlanmıştır; o zaman nasıl değişeceğini ifade genin gıda düzeyiyle kurmak; ve son olarak, tarafsız bir miktar bilgi miktarını sağlamak için gen ekspresyonu ortamda gıda zenginliği hakkında tarafından aktarılmaktadır. Çeşitli genler, sinirsel bir devre bağlamında aynı anda incelendiğinde bu iş akışını devre tarafından istihdam kodlama stratejisi ortaya çıkarmak.
Tüm organizmalar hissediyorum ve onların hayatta kalmasını sağlamak için ortamındaki değişiklikleri yanıt mümkün olması gerekir. Hayvanlarda, sinir sisteminin birincil dedektörü ve dönüştürücü ortamı hakkında bilgi ve fizyolojik yanıt olarak organizmanın hayatta kalma1etkileyebilecek herhangi bir değişiklik koordine eder. Gıda bereket bu sadece örneğin2yiyecek, gıda ile ilgili davranışları düzenleyen ama aynı zamanda bir hayvan uzun ömürlü etkiler de birden fazla bağlamda okudu bir çevre ipucudur. Ömrü gıda bolca değişikliklerden modülasyon diyet kısıtlaması (DR) bilinen bir olgudur ve geniş evrimsel koruma3vardır.
Yuvarlak solucanlar Caenorhabditis elegans temel biyolojik soru adresleme için güçlü modeli bir sistemdir. Bir bolluk teknikleri geliştirilmiştir gibi düzenleme teknikleri RNAi ve in vivo gen solucan genom manipülasyon için izin. Solucan ve optik onun şeffaflık küçük fiziksel boyutunu da kendilerini ödünç vivo içinde görüntüleme hem transkripsiyon ve çevirim floresan gazetecilere ve havacilik4gibi yüksek üretilen iş teknolojileri yardımcı programı. Birlikte, bu araçları nasıl sinir devreleri doğrudan hayvan davranışı incelemek için harnessed olabilir.
C. elegans bir bacterivore olduğunu ve çeşitli yöntemler bakteri konsantrasyonu5,6,7,8 manipüle ederek gıda bereket hassas kontrol için izin Yayınlandı . C. elegans araştırma topluluğu içinde DR iki farklı bağlamlarda eğitim gördü. Yanıt-e doğru diğer organizmaların gıda seviyelerinde azalan görülen değişiklikler aynalar gibi ilk ‘klasik DR’ olarak adlandırdığı. Daha fazla gıda6,7azalma ile bu noktaya uzun ömür azalır sonra en uygun ulaştı kadar bu bağlamda gıda bereket ad libitum seviyeleri azalan artan bir ömrü içinde sonuç, 9. Altında DR C. elegans içinde çalışılmıştır ikinci bağlamdır diyet yoksunluğu uzun ömürlü solucanların herhangi bir bakteriyel gıda kaynağı10,11tümüyle kaldırılmasını tarafından artırılır. Entchev ve ark. (2015)12, biz gösterdi bu iki farklı paradigmaların kaynaklanan DR karmaşıklığı incelenebilir aynı anda bir bağlamı altında ‘geniş menzilli DR’ dönem. Aşağıda verilen iletişim kuralını kullanarak, biz yeni bir sınıf gen tespit DR o uzmanlığından ömrü yanıt gıda bereket için modüle ve gıda12 (şekil 1) anlamda sinir devrelerinde katılmaktadırlar.
Bir hayvan yanıt ortamındaki değişikliklere duyu sistemi fizyolojisi için çevresel bilgi taşıma karmaşık yasal etkileşimleri bağlantı biyolojik süreçlerin bir dizi entegre. Böyle “bilgi akışı” mekanik ayrıntılarını kez bilinmeyen olmakla birlikte, genetik araçları bu karmaşık hesaplama farklı biyolojik bileşenler arasında nasıl düzenlenir içine bir fikir elde etmek için kullanılabilir. Son çalışmalarda, biz ve daf-7 tph-1 ömrü C. elegans12 gelen gıda algılamalı sinir devresi aracılığıyla gıda zenginliği hakkında çevresel bilgi iletimi katılmaktadırlar gösterdi , 13. bilgi kuramı14matematiksel çerçevesinde uygulayarak, daf-7 ve Gen ifade değişikliklerden temsil çevresel bilgi bit, açısından miktarını ölçmek başardık tph-1 farklı gıda düzeyleri arasında belirli nöronlar içinde. Bundan sonra bu sinir devre ve nasıl genetik olarak kontrol edilir tarafından istihdam kodlama strateji (Şekil 2) ortaya çıkarmak başardık.
Aşağıdaki iletişim kuralında, genler belirli nöronlarda ifade ilgi etkileri nelerdir ve nasıl onlar ömrü ortamına gıda bilgi akışı için katılın anlamak için gereken adımları özetlemektedir. Genel olarak, bizim framework iki deneysel protokol ve hesaplama iş akışı ayrılmıştır. Deneysel yönleri mutantlar var önemlidir geniş menzilli altında incelenebilir ilgi genlerin Dr Faithful transkripsiyon gazetecilere de genlerin farklı gıda düzeyde ifade düzeyini ölçmek gereklidir. Bizim yönteminde tartışılan sayısal analiz gerçekleştirmek veri kümesini ifade dağılımları anlamlı tahminleri sağlamak için yeterli boyutta olması gerekir. Biz analizleri için şablonu kaynak kodlarını sağlamasına karşın, kullanıcı dil bizim Hesaplamalı çerçeve yoğun kullanılan bilgi teorisi hakkında bilgi sahibi olmanız gerekir. Kaynak kodlarını R ve C++ yazılır. Bu nedenle, belirli bir düzeyde yeterlilik programlama da anlamlı bir şekilde uygulamak için gereklidir.
Burada, gıda konsantrasyonları çok daha geniş bir dizi daha önceden yayınlanmış protokollerini kapsüller diyet kısıtlaması için yeni bir yöntem mevcut. Bu yöntem iki önceden ayrı fenomen C. elegans DR literatürde görülen bağlantılar, bakteriyel yoksunluğu ve klasik diyet kısıtlaması, olmak her iki diyet etkileri sağlayan bir iletişim kuralı okudu. Yeni geniş menzilli DR paradigması kullanarak, biz tek hücre gen ekspresyonu yanıt belirli bir çevre işaret olarak incelenmesi ve nasıl bu hücre bilgi kodlar belirlenmesi için genel bir çerçeve mevcut. Bizim framework katlanacak ve nicel görüntüleme, sırasıyla gerçekleştirmek nasıl çalışılacağını deneysel iki protokol oluşur, geniş menzilli altında bu deneysel protokoller Dr verilerden sonra sağlanan hesaplama analizleri ile incelenebilir Bu çerçevede farklı gıda koşullar arasında gen ifade düzeyleri veya katlanacak değişiklikleri tarafından kodlanan bilgiler ölçmek için.
Geniş menzilli DR paradigması kullanarak ömrü deneyler altı farklı gıda düzeyleri (Tablo 1) içerir. Bu diyet yoksunluğu10,11 gibi daha az gıda düzeyleri altında uzun ömürlü inceleyerek veya yemek-2 genetik arka plan35kullanarak daha fazla emek yoğun bir yaklaşım gerektirir. Ancak, tek bir koşul altında ömrü, inceleyerek bir gen’ın rolü DR yorumlarını sınırlayabilirsiniz. Örneğin, biz son zamanlarda daf-7 mutantlar bir çift yönlü zayıflama vahşi türü hayvanlar12 ‘ ye (şekil 1A) göre gıda konsantrasyon için yanıt var gösterdi. Gıda yokluğunda, daf-7 mutantlar vahşi türü hayvanlar için karşılaştırıldığında onların ömrü bir kısalma görüntüler. Sadece diyet yoksunluğu olarak kabul ettiği, bu yorumlanır aslında daf-7 rolü daha karmaşık olduğunda sadece ömrü uzatma, için gerekli varlık olarak daf-7 gen. Bu nedenle, bu protokolün bir parçası, kritik sonucunu olup olmadığını bir gen ilgi kurmak için gıda bolluk içinde ömrü genel yanıt değişikliklere oransal ilgilenmektedir.
Diğer yöntemlerine göre bu iletişim kuralı bir büyük avantajı bu ömrü analiz geçiren hayvanların döl üretimde ortadan kaldırmak için yeni bir yöntem kullanıyor olması. Çoğu çalışmalar hızla çoğalmak-in onları steril işleme erişkinlerde germline etkisizleştirmek için uyuşturucu FuDR kullanın. Ancak, son yıllarda yapılan çalışmalarda FuDR tedavi çağıran ömrü17,18,19,20,21, koşul ve gen özel etkileri olabilir göstermiştir onun genel uygulanabilirliği soru. Bu protokol için bir 24 h’den döl üretim ortadan kaldırılması sağlanır muamele-in hayvan RNAi kitin yumurta kabuğu oluşumunu inhibe yumurta-5 gen hedefleme ile sonuçlanan C. elegans yumurta döllenmiş kendi Ölüm22,23. Bu yöntemin avantajı çok geç oyunculuk ve çok uzun ömürlü C. elegansiçinde büyük bir düzenleyicisidir germline engel olmasıdır.
Geniş menzilli DR Protokolü’nün bir potansiyel uyarı bakteriyel nükleer silahların yayılmasına karşı bakteriyel konsantrasyon sıkı bir denetim sağlamak için kontrol etmek için antibiyotik kullanımı üzerindeki güven var. Bakteri çoğalması solucan bağırsak içinde C. elegans16ölüm önemli bir nedeni olduğu bilinmektedir. Böylece, carbenicillin, NGM agar gibi bakteriyostatik antibiyotik kullanımı bakteri yayılmasını engeller ve antibiyotik olmayan denetimleri16için karşılaştırıldığında solucan ömrünü artırır. Antibiyotikler, Rifampisin36 ve38tetrasiklin aile37,, üyeleri gibi belirli türde bağımsız olarak bakteriyel üzerindeki etkileri C. elegans içinde ömrünü uzatmak için gösterilen nükleer silahların yayılmasına karşı. Ancak, ya carbenicillin ya da streptomisin uzun ömürlü bağımsız olarak bakteriyel yayılması üzerindeki etkileri artırabilir hiçbir kanıt literatürde.
Ömrü çevresel bilgi, gen-ifade nöronal ağlarda tarafından yönlendirilen fizyolojisine nerede iletilir karmaşık bir hesaplama çıktı olarak görüntülenebilir. Bizim iletişim kuralı nasıl belirli genler anlamak için bir metodoloji sağlar bu çevresel bilgi akışını etkiler. Bu soru adresi için güvenilir görüntü gen ifade yanıt tek hücre düzeyinde dağılımını belirlemek için işleme gerekir. Sadece gen ekspresyonu için ortalama yanıt gıda bolluk içinde değiştirir ama aynı zamanda bizim yöntem uygulanabilirliği için önemli bir gereksinimi büyük popülasyonlarda üzerinden tam istatistiksel dağıtım temsil eder tahmin edememek. Gen ifade yanıt gıda bereket için bu doğru bir açıklama bilgi kuramı uygulanması belirli nöronlar tarafından kodlanan bilgiler gibi sinirsel devre tarafından istihdam kodlama strateji ölçmek için sağlar.
Bu protokol için özetlenen yöntemleri görüntüleme ve Hesaplamalı yönlerini biyolojik bağlamlarda daha büyük bir grup için geçerlidir. Çalışmamızda, biz gıda ile ilgili küçük bir sinirsel ağ üzerinde algılama, ancak, bilgi işlem özellikleri analiz belirli hücre tipi veya belirli çevre ipuçları için sınırlı değildir duruldu. Gelecekte, bu metodolojileri potansiyel olarak daha büyük girdi değişkenlerini, fizyolojik herhangi bir çıktı etkileyen çeşitli için genişletilebilir. Bu yaklaşımların nasıl gen düzenleyici ağları kodlamak, işlem daha büyük bir anlayış için katkıda bulunmak ve bilgi iletimi.
The authors have nothing to disclose.
Biz Bargmann ve Horvitz labs reaktifler için teşekkür ederim. Bazı suşları NIH ofisi araştırma altyapı programları (P40 OD010440) tarafından finanse edilen CGC tarafından temin edilmiştir. Biz ayrıca M. Lipovsek el yazması üzerine yorumlar için teşekkür ederiz. Bu araştırma Wellcome Trust (proje Grant 087146 Q.C. için), BBSRC (BB/H020500/1 ve 1/M00757X/BB Q.C. için), Avrupa Araştırma Konseyi (NeuroAge 242666 Q.C. için) bize ulusal sağlık Enstitüleri (R01AG035317 ve R01GM088333 H.L. için) ve ABD tarafından desteklenmiştir Ulusal Bilim Vakfı (0954578 şöyle, M.Z. için 0946809 GRFP için).
Carbenicillin di-Sodium salt | Sigma-Aldrich | C1389-5G | Antibiotic |
Streptomycin Sulphate salt | Sigma-Aldrich | S6501-50G | Antibiotic |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Sigma-Aldrich | I6758-10G | Inducer for RNAi plates |
Sodium Chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | 71380-1KG-M | Used in S basal, and NGM agar |
di-Potassium Hydrogen Phosphate(K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 1.05104.1000 | Used in S basal, and NGM agar |
Potassium di-Hydrogen Phosphate (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791-1KG | Used in S basal, and NGM agar |
Magnesium Sulphate (MgSO4) | Sigma-Aldrich | M2643-1KG | Used in NGM agar |
Calcium Chloride (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C5670-500G | Used in NGM agar |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | 71687-500G | Used for bleaching |
Pluronic-F127 | Sigma-Aldrich | P2443-1KG | Used in imaging |
Sodium Hypochlorite (NaClO) | Sigma-Aldrich | 1.05614.2500 | Used for bleaching |
LB Broth | Invitrogen | 12780052 | Used to grow bacteria |
Adavanced TC 6 cm Tissue Culture plates | Greiner Bio-One | 628960 | Plates for lifespan |
CellStar 10cm Tissue Culture plates | Greiner Bio-One | 664160 | Plates for imaging |
Low Retention P200 tips | Brandt | 732832 | Tips for handling worms in liquid |
Agar | BD | 214510 | Agar for NGM, RNAi and NSC plates |
Bacto-peptone | BD | 211820 | Peptone for NGM, RNAi and NSC plates |