Drosophila modell for å studere tarmmikrobiota i atferd og nevrodegenerative sykdommer del 2

3. Drosophila lærte atferd

Enorme forskningsfremskritt har blitt gjort i løpet av de siste 40 årene på detaljerte mekanismer som ligger til grunn for Drosophila læring og hukommelse. Flere Drosophila lærings- og hukommelsesatferd har blitt brukt i biologiske studier, inkludert luktminne, visuelt minne, stedsminne og frieriminne [66]. Mange studier har antydet at fluer kan lære og danne minner fra sine erfaringer, og disse minnene kan vedvare i timer eller dager. Drosophila luktminne og frieriminne er to populære analysesystemer for minnestudier i laboratoriet. Her fokuserer vi hovedsakelig på lukt- og frieriminner i Drosophila.

Drosophila olfactory memory betyr at Drosophila oppfatter det ytre miljøet gjennom luktesansen, lagrer denne informasjonen i hjernen, og husker denne informasjonen når det er nødvendig. Luktminne spiller en svært viktig rolle i overlevelsen av Drosophila, da det hjelper fluen å gjenkjenne mat, kamerater, fiender osv. I Drosophila-hjernen skiller mekanismen som luktminner dannes fra andre typer minner, noe som kan hjelpe bedre. vi forstår hukommelsens natur.

I motsetning til menneskets hukommelse ser luktminnet ut til å være upåvirket av faktorer som alder og helse. Et team av forskere har funnet i eksperimenter at luktminner er vellykket etablert og bevart i både unge og gamle fruktfluer. Dette viser at fruktfluens luktminne er en meget stabil form for hukommelse, og kan til og med sies å være et minne som ikke kan ødelegges.

I tillegg er dannelse og bevaring av luktminner i Drosophila også relatert til måten nevroner i hjernen deres er koblet sammen. Forskere har funnet ut at luktminnet kan ødelegges eller styrkes ved å klippe og lime nevroner i fruktfluer. Dette viser at dannelsen og bevaringen av luktminne i Drosophila avhenger av forbindelsen mellom nevroner, og denne forbindelsen kan reguleres og påvirkes av eksperimenter, og dermed hjelpe oss å bedre forstå mekanismen for minnedannelse og bevaring.

Totalt sett er luktminnet til Drosophila en veldig spesifikk og stabil form for hukommelse. Det er relatert til faktorer som måten nevroner er koblet sammen på i hjernen, og påvirkning av miljøet, og kan være uavhengig av alder og helsestatus til fruktflua. Disse funnene gir en unik innsikt i hukommelsens natur og kan spille en viktig rolle i fremtidige medisinske anvendelser og diagnostikk. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen vår. Cistanche kan forbedre hukommelsen vår betydelig, fordi Cistanche også kan regulere balansen mellom nevrotransmittere, som å øke nivåene av acetylkolin og vekstfaktorer, som er svært viktige for hukommelse og læring. Viktigere, i tillegg kan kjøtt også forbedre blodstrømmen og fremme oksygentilførsel, noe som kan sikre at hjernen får tilstrekkelig næring og energi, og dermed forbedre vitaliteten og utholdenheten til hjernen.

Klikk vet måter å forbedre hjernefunksjonen på

3.1. Luktminne-aversive og belønningsbetingelser

Drosophila olfactory memory ble beskrevet av Tempel et al. [4] og Tully et al. [5]. For aversiv luktkondisjonering, mottar fluer elektrisk sjokkstraff sammen med eksponering for en spesifikk lukt (CS+), etterfulgt av en annen lukt (CS−) uten elektrisk sjokk. For minnetesting transporteres fluer ved hjelp av en liten heis i treningsmaskinen og får velge mellom to lukter (CS+ vs. CS−) i T-labyrinten. Både 3-oktanol (OCT) og 4-metylcykloheksanol (MCH) brukes ofte i denne analysen. Ytelsesindeksen er definert som:

Sukkerbelønningsminneanalysen, beskrevet i tidligere studier, ligner den aversive olfaktoriske minneanalysen, og vannbelønningsminneanalysen er en modifikasjon av sukkerbelønningsminnet [4,67–70]. I sukkerbelønnings- og vannbelønnings-minneanalyser trenes sultne eller tørste fluer til å pare en lukt (CS+) med henholdsvis sukker eller vann.

Før du starter eksperimentet, overføres fluer til hetteglass som inneholder et fuktig filterpapir for matsult før sukkerbelønningsminneanalysen, eller til hetteglass som inneholder tørt sukrosefilterpapir for uttørking før vannbelønningsminneanalysen. For trening flyttes fluer til et treningsrør som inneholder et tørket filterpapir og utsettes for den første lukten (CS−).

Fluene overføres deretter til et annet treningsrør som inneholder enten et sukrosefilterpapir eller et vannfilterpapir og eksponeres deretter for den andre lukten (CS+). For testing får fluer velge mellom de to luktene i en T-labyrint, og deres fordeling i rørene ble analysert og presentert som ytelsesindeksen [68,71].

3.2. Frieri minne

Allerede parrede hunnfluer avviser mannlige paringsforsøk, noe som til slutt fører til redusert frierioppførsel av hannfluer. Denne ubehagelige opplevelsen (avvisning fra kvinner) undertrykker også den mannlige frierioppførselen mot en jomfru kvinne [6].

Undertrykkelsen av den mannlige fluefrierioppførselen mot en jomfruhun etter eksponering for allerede parrede hunner er definert som frierikondisjonering. Før testing blir naive hanner samlet inn på eclosionsdagen og holdt individuelt i 4–5 dager. Når naive hanner er kjønnsmodne, eksponeres de for en parret hunn i 1 time, og frieriindeksen i løpet av de første (CIinitielle) og siste (CIfinale) 10 minuttene av den 1 time lange eksperimentelle perioden ble beregnet. Test hannen blir deretter flyttet til et nytt sted og eksponert for en halshugget jomfru hunn i 10 min (test).

I kontrollgruppen blir naive hannfluer holdt alene i et kammer i 1 time og deretter overført til et nytt kammer med en halshugget jomfruhun i 10 minutter (CIsham) [72]. Til slutt beregnes frierilæringsindeksen og minneindeksen. Lavere lærings- og hukommelsesindekser indikerer at hannfluer har bedre lærings- og hukommelsesevne. Læringsindeks=CIfinale/CIinitial og minneindeks=CItest/gjennomsnittlig CIsham [72].

3.3. Innvirkningen av tarmmikrobiotaen på hukommelsen

Studier har vist at fluer kan trenes til å assosiere en lukt med straff eller belønning [4,5,67,73]. For luktminne mottar projeksjonsnevroner i antennelappen input fra luktreseptorneuroner, og projiserer til det laterale hornet og MB-ene i fluehjernen [74]. Spesielt er Drosophila MB kritiske for luktminne [75,76]. MB-nevroner er klassifisert som , 0 0 og nevroner [77].

Blum et al. viste at hos fluer danner lærde erfaringer korttidshukommelse i MB-nevronene, mens langtidshukommelse dannes i MB-nevronene [78]. I motsetning til dette, McBride et al. rapporterte at MB-er er avgjørende for konsolideringen av langtidshukommelsen under frierikondisjonering [79]. En annen studie rapporterte at overlapping av MB-nevroner er nødvendig for frieriminne og olfaktorisk assosiativt minne hos Drosophila [80].

Økende bevis tyder på at tarmmikrobiomet kan ha noen effekter på dyreadferd [81], og interaksjonen mellom tarmen og hjernen er kritisk for atferd [82]. Flere forskere har indikert en sammenheng mellom tarmmikrobiota og læring [83] eller hukommelse [84]. Spesielt er det utviklet spesifikke probiotika for å forbedre læring og hukommelse hos mus [85,86]. Hos Drosophila er tarmmikrobiotaen mye enklere sammenlignet med andre dyr [87].

Fruktfluer er en potensiell dyremodell for å studere effekten av tarmmikrobiotaen på lært atferd; men det er bare spredte bevis. Nylig har Silva et al. rapporterte at akseniske fluer har redusert appetitiv hukommelse 24 timer etter trening og akseniske hannfluer viser redusert frierilæring og hukommelse [34] (tabell 1). Ytterligere studier er nødvendig for å belyse virkningen av tarmmikrobiota på lært atferd i fremtiden.

4. Aldring og lang levetid

Aldring er et universelt biologisk fenomen. I hovedsak er aldring et begrep som brukes for å beskrive forholdet mellom økende kronologisk alder og nedgang i fysiologiske funksjoner, slik som reproduktiv funksjon, muskelstyrke, kognitiv svikt og aldersrelaterte sykdommer [88].

Flere studier har brukt dyremodeller, som Caenorhabditis elegans, Drosophila og mus, for å karakterisere de molekylære og fysiologiske endringene som skjer under aldring [89].

Tarmmikrobiota og Drosophila aldring

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 år). Friske eldre mennesker har en høyere overflod av Bacteroidetes i tarmen, som gir mer funksjonelle veier for energimetabolisme.

Imidlertid har usunne eldre individer en høyere overflod av streptokokker og andre patogene bakterier i tarmen [91]. Studier på eldre menneskers mikrobiota er ikke veldig konsistente på grunn av forskjellige interne og eksterne parametere knyttet til hver person; derfor kreves det ytterligere studier ved bruk av dyremodeller for å avklare rollen til tarmmikrobiota i aldring.

Vanligvis har den sunne og godt vedlikeholdte villtype Drosophila, W1118, en median levetid på omtrent 70 dager, og maksimalt omtrent 90 dager når den er oppdrettet ved 25 ◦C [92]. Eldre fluer viser alvorlige aldersrelaterte atferdsendringer 21 dager etter eclosion, slik som aldersrelatert bevegelseshemning (ARLI), redusert seksuell aktivitet og reproduktiv atferd, redusert evne til å registrere kalde temperaturer, sammenbrudd av søvn-våkne sykluser og svekkede kognitive funksjoner [ 63,93–95]. Disse aldersrelaterte atferdsendringene er assosiert med en endring i genuttrykksmønsteret. Aldring er assosiert med endringer i uttrykket av nesten 23 % av genene i Drosophila, og mange av disse genene er relatert til stressrespons og reproduksjon. Forstyrret ekspresjon av disse genene forårsaker svekkelse av flere fysiologiske prosesser hos gamle fluer [96].

Hos voksne fluer utgjør Proteobacteria (Acetobacter og Komagataeibacter) og Firmicutes (Lactobacillus og Leuconostoc) en stor del av tarmmikrobiotaen, spesielt i den mageliknende kobbercelleregionen (CCR, se også figur 1a), som kontrollerer distribusjonen og sammensetning av mikrobiota og metaplasi av mageepitelet via aktivering av JAK/STAT-signalering i den aldrende tarmen [97]. Dessuten er det en betydelig forskjell i tarmmikrobiotasammensetningen mellom unge og gamle fluer.

Hos unge fluer er Acetobacter persici og L. brevis de dominerende artene. A. malorum og L. plantarum finnes imidlertid hovedsakelig i tarmen til gamle fluer [98]. Studier som belyser effekten av tarmmikrobiota under forskjellige stadier av Drosophila-utviklingen er ikke konsistente. Brummel et al. fant at fluer oppdrettet under akseniske forhold har redusert levetid sammenlignet med konvensjonelle fluer. Videre øker tilstedeværelsen av mikrobiota i løpet av den første uken av voksenlivet i Drosophila levetiden. Tilstedeværelsen av mikrobiota senere i livet reduserer derimot levetiden. Forfatterne foreslo at tarmmikrobiotaen interagerer med levetidsgener for å modulere levetiden hos Drosophila [39].

I motsetning til dette har Catterson et al. viste at intermitterende faste (IF, to dagers fôring etterfulgt av fem dagers faste) kan forlenge levetiden hos Drosophila. Videre viste forfatterne at IF i minst 30 dager i voksen alder øker levetiden. Forfatterne hevdet at IF øker sult-indusert motstand mot oksidativt og fremmedfiendtlig stress.

Videre forbedrer IF lipidinnholdet i 60-daggamle fluer. Analyse av tarmen 40 dager etter IF avslørte en signifikant reduksjon i aldersrelaterte patologier, forbedret tarmbarrierefunksjon og redusert bakteriell overflod inkludert L. plantarum. Jeg kan handle uavhengig av TOR-veien og øke levetiden kraftig. Til sammen, i løpet av tidlig liv, kan kortsiktig IF indusere langvarige gunstige effekter som kan øke levetiden, i det minste delvis, ved å bevare tarmhelsen [40].

5. Alzheimers sykdommer

Alzheimers sykdom (AD) oppstår på grunn av nevronal degenerasjon i hjernen. AD er preget av tilstedeværelsen av nevritiske plakk og nevrofibrillære floker, noe som fører til amyloid-beta (A) peptidakkumulering [99]. Det er to hovedhypoteser for å forklare mekanismen som ligger til grunn for AD-utvikling. Den første hypotesen er den kolinerge hypotesen.

På 1970-tallet avslørte studier at neokortikale og presynaptiske kolinerge underskudd er relatert til kolinacetyltransferase (ChAT), et enzym involvert i syntesen av acetylkolin (ACh). Siden ACh er nøkkelfaktoren involvert i å regulere kognitive funksjoner, foreslår den kolinerge hypotesen at -amyloidakkumulering påvirker kolinerg nevrotransmisjon, og forårsaker en reduksjon i kolinopptak og Ach-frigjøring [100,101]. Den andre hypotesen er amyloidhypotesen.

Det har blitt observert at A-nedbrytning reduseres med økt alder eller ved ulike patologiske tilstander, noe som fører til akkumulering av A-peptider, som til slutt forårsaker nevronal død [102–104]. Flere AD risikofaktorer er identifisert, som aldring, genetisk bakgrunn, mutasjoner i amyloid forløperprotein, miljøfaktorer og tungmetalleksponering [105].

5.1. Tarmmikrobiota og AD i Drosophila

AD-pasienter viser en redusert forekomst av L. brevis og Bifidobacterium dentium i tarmen og reduserte GABA-nivåer i CNS [106]. Serotonin, en annen viktig nevrotransmitter som regulerer kognitive funksjoner, kan syntetiseres av tarmmikrober [15,107]. Foruten nevrotransmitterubalanse, er nevrotoksiner også involvert i AD. En fersk studie viste at nervegiften -N-metylamino-L-alanin (BMAA) produseres av cyanobakterier i tarmen, noe som bidrar til utvikling av AD [106,108]. Imidlertid er virkningen av tarmmikrobiota på nevrale kretsløp og relaterte mekanismer i AD fortsatt uklar. Totalt sett er det utviklet tre Drosophila AD-modeller som gjorde det mulig for forskere å avdekke forholdet mellom AD og tarmmikrobiota. Disse inkluderer elav-Gal4, UAS-BACE/UASAPP-modell, GMR-A 42-modell og elav-Gal4; UAS-A 42-modell (tabell 1).

5.2. elav-Gal4; UAS-BACE/UAS-APP Fluemodell

UAS/Gal4-systemet har blitt brukt til å utvikle AD-fluemodeller ved å uttrykke human beta-sekretase (BACE) eller amyloid forløperprotein (APP) under kontroll av elav-Gal4-driver, som uttrykkes spesifikt i nevroner. Disse fluene viser økt amyloidavsetning i nevroner, tap av klatreevne og økt nevrodegenerasjon. En fersk studie viste videre sammenhengen mellom Kefir-opptak og AD i elavGal4; UAS-BACE/UAS-APP flyr. Kefir er et probiotikum som inneholder fem hovedbakteriearter: L. kefiranofaciens (21,96 %), L. kefir (0,2 %), A. labarum (0.17 %), Lactococcus lactis ( 0.004 %) og Rickettsiales (0,001 %). De viktigste metabolittene til stede i Kefir er heksan (Hex), diklormetan (DCM), etylacetat (EtOAc) og n-butanol (But-OH). Kefir-administrasjon til AD-modellfluer forbedret deres klatreevne, forbedret overlevelsesraten og undertrykte nevrodegenerasjon. Videre, selv om de fire metabolittene til stede hvis Kefir individuelt var i stand til å forbedre klatreaktiviteten hos AD-fluer, var det bare EtOAc og But-OH som var i stand til å forlenge levetiden til AD-modellen Drosophila [41].

Westfall et al. utviklet en symbiotisk formulering som inneholder L. plantarum NCIMB 8826 (Lp8826), L. fermentum NCIMB 5221 (Lf5221) og Bifidobacteria longum spp. infantis NCIMB 702255 (Bi702255), sammen med 0,5 % TFLA (polyfenol planteekstrakt fra det gastrointestinale tonicet Triphala) pulver. Behandling av elav-Gal4; UAS-BACE/UAS-APP-fluer med denne symbiotiske formuleringen reduserte uttrykket av Drosophila insulinlignende peptid (Dilp) inkludert Dilp2 og Dilp3, og Dilp-reseptorer, mens det økte dFOXO og medfødt immunfaktor dual oxidase-ekspresjon, og fremmet IMD-signalering. Dessuten reduserte den symbiotiske formuleringen nivåene av totale oksidanter, undertrykte lipidperoksidasjon (LPO) og gjenopprettet aktiviteten til de mitokondrielle elektrontransportkjedene (ETC)-kompleksene i AD-modellfluer [42].

5.3. GMR-A 42 fluemodell

GMR-A 42 AD fluemodell ble utviklet ved å uttrykke det humane A 42-transgenet under kontroll av glassmultimerreporter (GMR)-Gal4-driveren, som uttrykkes i retinale celler. Disse fluene viser en grov øyefenotype på grunn av nevrodegenerasjon, og denne modellen er mye brukt for å undersøke mekanismer som ligger til grunn for AD-utvikling [109]. Liu et al. viste at L. sakei Probio 65 og L. paracasei 0291 fôring signifikant reduserte AD-assosiert nevrodegenerasjon i GMR-A 42 AD modellfluer [43]. Dessuten har Tan et al. rapporterte at Lactobacillus redder den grove øye-fenotypen i AD-fluer, spesielt L. plantarum DR7-stammen. L. plantarum DR7 kan gjenopprette tarmmikrobiota-diversiteten i AD-modellfluer ved å øke mengden av Stenotrophomonas og Acetobacter, samtidig som den reduserer den til Wolbachia [44].

5.4. elav-Gal4; UAS-A 42 fluemodell

Denne AD-modellfluene ble utviklet ved å uttrykke menneskelig A 42 under kontroll av den pan-nevronale driveren elav-Gal4. I likhet med andre AD-modellfluer, elav-Gal4; UAS-A 42 fluer viser reduserte overlevelsesrater og reduserte klatreevner. Dessuten er overfloden av familiene Acetobacteraceae og Lactobacillaceae redusert i tarmen til disse fluene, spesielt Acetobacter og Lactobacillus. Ved å bruke GC-MS har det blitt funnet at nivåene av acetat, som er den hyppigste kortkjedede fettsyren (SCFA) i fluer, reduseres dramatisk i AD-modellfluer [45]. In vitro- og in vivo-studier har vist at SCFA-er spiller en potensiell rolle i å redusere A-nivåer og dempe dets toksiske effekter [110,111]. Videre fremmer enterisk dysbiose forårsaket på grunn av infeksjon med en ikke-patogen enterobakterie (Ecc15) hos voksne fluer hemocyttrekruttering til hjernen, noe som fører til TNF-JNK-mediert nevrodegenerasjon, noe som resulterer i AD-utvikling [46].
6. Parkinsons sykdom

Parkinsons sykdom (PD) er en nevrologisk lidelse som rammer mennesker hovedsakelig i de senere årene av livet. Generelt er PD sjelden observert hos de under 40 år, og det er anslått at omtrent 1 % av personer over 60 år og 0,3 % av hele befolkningen utvikler denne sykdommen [112–114] . Akkumulering av -synukleinholdige Lewy-legemer og tap av dopaminerge nevroner i substantia nigra er de viktigste patologiske endringene som er observert hos PD-pasienter. De motoriske egenskapene som vanligvis observeres hos PD-pasienter inkluderer skjelvinger, rigiditet og bradykinesi. Videre er vanlige ikke-motoriske trekk observert hos pasienter med PD søvndysfunksjon, autonom dysfunksjon og hyposmi [115]. Selv om årsakene til utviklingen av PD fortsatt er ukjente, inkluderer de viktigste risikofaktorene alder, miljøfaktorer og genetikk.

6.1. Tarmmikrobiota og PD i Drosophila

Det er rapportert at hos pasienter med PD er forekomsten av Enterobacteriaceae i tarmen positivt assosiert med alvorlighetsgraden av postural ustabilitet [46]. Videre er det rapportert at hos PD-pasienter er tarmoverfloden av Prevotellaceae, Blautia spp., Coprococcus spp., Roseburia, Faecalibacterium spp. og Prevotella spp. Er redusert, mens den for E. coli, Ralstonia, Lactobacillus, Bifidobacterium, Verrucomicrobiaceae, Bacteroides, Parabacteroides, Akkermansia, Butyricimonas, Veillonella, Odoribacter, Mucispirillum og Bilophila øker [112,116]. Effektene av tarmmikrobiotaen på PD-patogenesen er imidlertid fortsatt uklare. Drosophila PD-modellen har blitt brukt til å undersøke forholdet mellom PD og tarmmikrobiota. I likhet med AD-modellen er det to modellsystemer for å studere PD i Drosophila: elav-Gal4; UAS-Synuclein-modellen, og PINK1-mutantmodellen (tabell 1), som beskrevet nedenfor.

6.2. leave-Gal4; UAS-Synuclein Fly Model

Hos PD-pasienter er det en multiplikasjon av mutasjoner (A53T, A30P eller E46K) i synuklein-genet. Fly PD-modeller er utviklet ved å uttrykke mutanten -synuklein under kontroll av elav-Gal4-driver. Ho et al. brukte A53T mutant humant -synuclein-protein under elav-Gal4-driveren for å utvikle fluer med PD-lignende egenskaper. Disse fluene viste tap av de dopaminerge nevronene i voksen alder og bevegelsessvikt.
Behandling med 3-hydroksybenzosyre (3-HBA),3,4-dihydroksybenzosyre (3,4-diHBA) og 3-(3- hydroksyfenyl)propionsyre (3- HPPA), som er fenolsyremetabolitter, hemmet -synukleinaggregering in vitro og forbedret bevegelsesaktiviteten til PD-modellfluer. Det er rapportert at Bacteroides ovatus kan konvertere flavanolene catechin og epicatechin til DHCA, 3,4-diHBA og 3-HBA. Dessuten kan B. ovatus, Eggerthella lenta og Escherichia coli produsere 3-HPPA, 3,4- diHBA og 3-HBA gjennom metabolske prosesser uavhengig av katekin og epicatechin. Disse funnene antyder at tarmmikrobiotaen kan påvirke PD-patogenesen ved å modulere diettflavanoler [47].

6.3. PINK1 Mutant Fly Model

PTEN-indusert kinase 1 (PINK1), en kjernekodet mitokondriell serin/treonin-proteinkinase, har blitt assosiert med PD. I dyremodeller med PINK1-genmutasjoner observeres PD-assosierte endringer og symptomer, slik som fragmenterte mitokondrielle cristae, økt oksidativt stressfølsomhet, bevegelsesdefekter og dopaminergt nevronalt tap [113,120]. Derfor brukes PINK1 med mutasjoner med tap av funksjon for å utvikle PD-modellfluer. Xu et al. viste at PD-fluer med PINK1-mutasjoner viser redusert levetid, klatrings- og flydefekter, degenererte flymuskler og tap av dopaminerge nevroner. Det har vist seg at forbindelsen epigallocatechin-3-gallat (EGCG), en viktig polyfenol som finnes i grønn te, kan redusere PD-symptomer. Dessuten kan EGCG gjenopprette mikrobiota-mangfoldet i PD-fluer ved å redusere tarmoverfloden av proteobakterier og øke tarmoverfloden av Firmicutes og Bacteroidetes. I PD-fluer øker dessuten tarmoverfloden av bakteriene Lactobacillus og Acetobacter, men i EGCG-behandlingsgrupper reduserte det forekomsten av Acetobacter og L. plantarum og reddet bevegelsesdefektene. Videre reduserte effekten av denne polyfenolen ved å øke forekomsten av L. plantarum i EGCG-behandlede PD-fluer. Dermed gir EGCG nevrobeskyttelse ved å påvirke tarmmikrobiotaen i PD-fluer [48].

7. Autismespektrumforstyrrelse

Autismespektrumforstyrrelse (ASD) er en nevroutviklingsforstyrrelse som manifesterer seg i tidlig barndom. Den er preget av komplekse atferdsfenotyper og mangler i både sosiale og kognitive funksjoner; den eksakte årsaken til ASD er imidlertid fortsatt ukjent [121,122]. I de siste årene har assosiasjonen mellom genetiske faktorer og ASD blitt identifisert, inkludert kopiantallvariasjon, enkeltnukleotidpolymorfismer og epigenetiske endringer. Foruten genetikk, spiller miljøfaktorer, som luftforurensninger og plantevernmidler, også en nøkkelrolle i ASD [122,123]. Nylig har Drosophila-modellen blitt brukt til å studere forholdet mellom ASD og kromatinremodellering, post-transkripsjonell regulering, proteinsyntese/degradering og celleadhesjonsmolekyler [124]. POGZ koder for heterokromatinproteinet 1 -bindende protein som er kritisk for kromatinremodellering hos mennesker. POGZ antas å fungere som en transkripsjonsregulator, noe som er avgjørende for nevronale funksjoner [125]. Nedregulering av rad, Drosophila-ortologen til POGZ, i nevroner, fører til et underskudd i tilvenning, som er en form for ikke-assosiativ læring [125]. Euchromatin histon methyltransferase (EHMT) er et annet eksempel på ASD-risikogenet relatert til kromatinremodellering [126–128]. Tap av EHMT i Drosophila fører til lærings- og hukommelsessvikt, og en betydelig reduksjon i dendrittiske slutttall, høyere ordens forgreninger og dendrittiske feltkompleksitet [129].

Nyere studier tyder på at KDM5-familiens proteiner er avgjørende for ASD. KDM5-familieproteiner er histon-demetylaser som regulerer histon H3K4me3-modifikasjon, som er assosiert med promotere av transkripsjonelt aktive gener [130,131]. Tap av funksjonsmutasjoner i KDM5-familieproteiner er rapportert hos pasienter med ASD [132,133]. Dessuten viser kdm5c knockout-mus også unormal læring og sosial atferd på grunn av redusert ryggradstetthet [134,135]. Fluer som bærer den mutante menneskelige kdm5c (kdm5A512P) viser lærings- og minnefeil [136]. Videre viser disse fluene atferdsdefekter og endringer i transkripsjonsnivå, som ligner på en mutant allel som opphever demetylaseaktivitet. Disse studiene antyder at KDM5-familieproteiner er kritiske for læring, hukommelse og sosial atferd av deres enzymatiske funksjon for genaktivering [136].

Flere atferdsanalyser kan brukes til å studere ASD i Drosophila-modellen. Sosiale romanalyser ble opprinnelig utviklet av Simon et al. å studere ASD hos voksne fluer [137]. Denne analysen utføres i et testkammer med to firkantede glassplater (18 × 18 cm) atskilt med en 0,5 cm avstandsholder, slik at fluene kan være i rommet. Det innvendige rommet er trekantet med en høyde og bunn på 15,3 cm hver. Fluer plasseres i bunnen av kammeret, og alle fluer begynner å klatre opp fra samme startpunkt nederst. Etter 20 min måles avstanden mellom de nærmeste naboene ved hjelp av et kamera [137]. Foruten sosiale romanalyser, er Drosophila-aktivitetsanalysen også ofte brukt i ASD-modellfluer [138].

Chen et al. foreslått at KDM5-proteiner påvirker sosial atferd ved å regulere sammensetningen av tarmmikrobiota [49]. Hos mennesker består KDM5-familien av fire medlemmer, mens i Drosophila er bare én KDM5-ortolog til stede [139]. Chen et al. genererte kdm-5-mangelfulle fluer og viste at tap av kdm5 fører til tarmbarrieredysfunksjon og endringer i sosial atferd. I tillegg endret KDM5-mangel i tarmvevet mikrobiotasammensetningen, noe som førte til tarmbarrieredefekter. Imidlertid reddet den probiotiske Lactobacillus eller antibiotikaadministrasjonen til de kdm5-mangelfulle fluene delvis de atferdsmessige og cellulære fenotypene og forlenget levetiden (tabell 1). Videre regulerer KDM5 transkripsjonelt signalveien for immundefekt (IMD) og opprettholder bakteriell homeostase på en demetylaseavhengig måte [134]. Disse studiene antyder at målretting av tarmmikrobiota kan være en mulig klinisk terapeutisk tilnærming for behandling av ASD-pasienter med unormal IMD-signalering [49].

8. Konklusjoner

Siden Drosophila huser et enkelt tarmmikrobielt samfunn, er det lett å forstå mekanismene som mikrobiota-tarm-hjerneaksen påvirker komplisert dyreatferd. Dessuten er det utviklet flere fluemodeller av nevrodegenerative sykdommer som lar forskere undersøke sammenhengen mellom tarmmikrober og nevronale lidelser, noe som kan bane vei mot translasjonsstudier av probiotika.

Denne gjennomgangen understreker viktigheten av nyere funn om sammenhengen mellom tarmmikrobiota og nevronale funksjoner, atferd og nevrodegenerative sykdommer i Drosophila-modellen. Tarmmikrobiotaen påvirker temperaturtoleranse, søvnadferd, lokomotorisk aktivitet, vert-utavlestrategi og aggressiv atferd, som alle er medfødt atferd. Selv om det er noen motsetninger angående assosiasjonen mellom tarmmikrobiota og atferd, spekulerer vi i at disse forskjellene kan skyldes forskjellige vertsgenotyper og dietter brukt i forskjellige studier. Imidlertid gir studier på Drosophila søvn og bevegelsesadferd oss ​​ledetråder om at tarmmikrobiotaen fungerer som en nevromodulator av nevronkretsene [34].

Sammenhengen mellom lært atferd og tarmmikrobiota er fortsatt dårlig forstått. Silva et al. rapporterte at tarmmikrobiota påvirker appetitiv langtidshukommelse, frierilæring og frieri langtidshukommelse [34]. Selv om rollen til mikrobiota-tarm-hjerne-aksen i aldring fortsatt er uklar, lærte vi fra fruktfluer at endringer i livsstil eller kosthold kan forbedre levetiden [40]. Studier på fluemodellen tyder dessuten på at å drikke melk med kefir og ta symbiotiske formuleringer eller probiotiske kosttilskudd reduserer AD-symptomer [41,42,44].

De gunstige effektene av probiotiske kosttilskudd og EGCG-holdig grønn te på PD-symptomer er vist hos fluer [116,118]. I fremtidige studier vil prioriteringen være å utvikle nye eksperimentelle oppsett som letter aseptiske forhold for tett kontroll og presis manipulering av tarmmikrobiotaen i fruktfluer [34]. Vi tror at Drosophila-modellen kan hjelpe oss til å forstå prinsippet som ligger til grunn for mikrobiota-tarm-hjerne-aksen og identifisere potensielle neste generasjons probiotika (NGP) om kort tid.

Forfatterbidrag:

Utforming eller utforming av dette verket: C.-HL og C.-LW; Skrive manuskriptet: M.-HC, S.-MH, H.-YW, Y.-CL, C.-HL og C.-LW; Utarbeidelse av figurer og tabeller: M.-HC og S.-MH; Forslag og diskusjon: W.-HT og TW; Endelig godkjenning: alle forfattere. M.-HC og S.-MH bidro like mye til dette arbeidet. Alle forfattere har lest og godtatt den publiserte versjonen av manuskriptet.

Finansiering:

Denne forskningen ble finansiert av tilskudd fra Science Park, Ministry of Science and Technology (109CB01), Ministry of Science and Technology (109-2326-B-182-001-MY3, 109-2320-B{{6} }MY3, og 109-2320-B-182-029-MY3), Chang Gung Memorial Hospital (CMRPD1K0311-2, CMRPD1K0361 og BMRPC75), og Higher Education Sprout Project finansiert av departementet for vitenskap og teknologi og Kunnskapsdepartementet.

Anerkjennelser:

Forfatterne vil takke redaktøren og anmelderne for deres redaksjonelle hjelp og deres verdifulle kommentarer. Vi takker medlemmene av CH Lais og CL Wus laboratorier for deres kritiske kommentarer til dette manuskriptet.

Interessekonflikter:

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt. Finansierne hadde ingen rolle i utformingen av studien; i innsamling, analyser eller tolkning av data; i skrivingen av manuskriptet, eller i beslutningen om å publisere resultatene.

Referanser

Konopka, RJ; Benzer, S. Klokkemutanter av Drosophila melanogaster. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1971, 68, 2112–2116. [CrossRef]

2. Dow, MA; Schilcher, FV Aggresjon og parringssuksess i Drosophila melanogaster. Nature 1975, 254, 511–512. [CrossRef] [PubMed]

3. Hall, JC Parringen av en flue. Science 1994, 264, 1702–1714. [CrossRef] [PubMed]

4. Tempel, BL; Bonini, N.; Dawson, DR; Quinn, WG Belønn læring i normal og mutant Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1983, 80, 1482–1486. [CrossRef] [PubMed]

5. Tully, T.; Quinn, WG Klassisk kondisjonering og retensjon i normal og mutant Drosophila melanogaster. J. Comp. Physiol. 1985, 157, 263–277. [CrossRef] 6. Siegel, RW; Hall, JC Betingede responser i frierioppførsel til normal og mutant Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1979, 76, 3430–3434. [CrossRef]

7. Feany, MB; Bender, WW En Drosophila-modell av Parkinsons sykdom. Nature 2000, 404, 394–398. [CrossRef]

8. Cowan, CM; Shepherd, D.; Mudher, A. Innsikt fra Drosophila-modeller av Alzheimers sykdom. Biochem. Soc. Trans. 2010, 38, 988–992. [CrossRef]

9. ti, NT; Dat, TQ; Ly, LL; Anh, VD; Yoshida, H. Innsikt fra Drosophila melanogaster modell av Alzheimers sykdom. Front. Biosci. 2020, 25, 134–146. [CrossRef]

10. O'Hara, AM; Shanahan, F. Tarmfloraen er et glemt organ. EMBO Rep. 2006, 7, 688–693. [CrossRef]

11. Fung, TC; Olson, CA; Hsiao, EY Interaksjoner mellom mikrobiota, immun- og nervesystem i helse og sykdom. 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; et al. Endret tarmmikrobiota og inflammatoriske cytokinresponser hos pasienter med Parkinsons sykdom. J. Neuroinflamm. 2019, 16, 129. [CrossRef] [PubMed]

13. De Palma, G.; Lynch, MD; Lu, J.; Dang, VT; Deng, Y.; Jury, J.; Umeh, G.; Miranda, statsminister; Pigrau pastor, M.; Sidani, S.; et al. Transplantasjon av fekal mikrobiota fra pasienter med irritabel tarm-syndrom endrer tarmfunksjon og oppførsel hos mottakermus. Sci. Overs. 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; et al. Mikrobiota modulerer atferdsmessige og fysiologiske abnormiteter assosiert med nevroutviklingsforstyrrelser. Cell 2013, 155, 1451–1463. [CrossRef] [PubMed]

15. Strandwitz, P. Neurotransmittermodulering av tarmmikrobiota. Brain Res. 2018, 1693, 128–133. [CrossRef] [PubMed]

For more information:1950477648nn@gmail.com