秀丽隐杆线虫 是一个优秀的模型系统,具有强大而低成本的方法,用于测量健康寿命,寿命和对压力的适应能力。
秀丽隐杆线虫作为模式生物的发现和发展对生物学产生了影响,特别是在衰老领域。许多历史和当代研究已经确定了数千种改变寿命的范式,包括基因突变,转基因基因表达和hormesis,这是一种有益的,低级的压力暴露。凭借其许多优点,包括寿命短,维护简单且成本低,以及与几乎三分之二的人类基因同源的完全测序基因组,秀丽隐杆线虫已迅速被采用为压力和衰老生物学的杰出模型。在这里,研究了几种用于测量寿命和健康寿命的标准化方法,这些方法可以很容易地适应几乎任何研究环境,特别是那些设备和资金有限的研究环境。秀丽隐杆线虫的令人难以置信的实用性,突出了在衰老生物学中进行强大遗传分析的能力,而无需广泛的基础设施。最后,讨论了每种分析的局限性和替代方法,以供考虑。
自悉尼·布伦纳(Sydney Brenner)于1974年发表的“ 秀丽隐杆线虫的遗传学”发表以来,这种微观蠕虫一直被认为是研究生物学奥秘的杰出模型系统1。1977年,Michael R. Klass发表了测量 秀丽隐杆线虫 寿命的方法,并建立了这个模型系统来研究衰老2。了解压力与长寿之间关系的研究始于鉴定 1岁 基因中的单个突变,这导致 秀丽隐杆线虫3的寿命延长。此外,当代研究已经确定了其他寿命增加的突变,这些突变揭示了长寿的突变蠕虫,其对压力的抵抗力增加4,5,6。凭借其许多优点,包括寿命短,易于维护,完全测序的基因组,包含与约三分之二的人类致病基因的同源性,RNA干扰(RNAi)文库的可用性和易用性,以及与人类7,8,9的生理相似性, 秀丽隐杆线虫 已迅速被采用为压力和衰老生物学的杰出模型。
也许 秀丽隐杆线虫 的最大效用是其极低的维护成本,易于实验以及可用于研究的各种遗传工具。 秀丽隐杆线虫 通常生长在具有 大肠杆菌 食物来源的固体琼脂培养基上。两种常用 的大肠杆菌 菌株是标准OP50,一种可能是最常用的10的B菌株,以及HT115,一种K-12菌株,主要用于RNAi实验11,12。HT115 K-12菌株在RNAIII RNase中携带缺失,这是RNAi方法所必需的突变,其中使用表达与单个 秀丽隐杆线虫 基因相对应的dsRNA的质粒。dsRNA进料载体允许 对秀丽隐杆线虫 基因进行稳健的敲低,而无需复杂的杂交或基因组编辑,因为携带这些质粒的细菌可以直接喂入线虫。数以千计的这些细菌RNAi载体存在于HT115背景中,包括最受欢迎的Vidal RNAi文库,其中有>19,000个单独的RNAi构建体13 个,而Ahringer RNAi文库有16,757个RNAi构建体14个。然而,OP50和HT115细菌饮食在代谢谱方面存在重大差异,包括维生素B12的差异15,16。因此,如果可能的话,建议在单一细菌源上进行所有实验,以避免基因 – 饮食相互作用,如前面描述的17,18,19所述。由于其易用性,动物在这里描述的所有实验条件下都保持在OP50上,但所有实验都是在HT115上进行的,如前所述20。简而言之,将动物维持在OP50并转移到HT115同步后(漂白后),以保持RNAi与非RNAi实验之间的一致性。或者,也可以使用在 大肠杆菌 K12 HT115菌株中发现的具有类似RNAIII RNase缺失的RNAi主管OP50菌株21。
也许在 秀丽隐杆线虫 中RNAi实验的一个主要限制是对敲低效率的关注。虽然敲低效率 可以通过 qPCR或蛋白质印迹来验证,但这些需要昂贵的设备和试剂,并且仅限于批量分析。这更是关注特定细胞,例如神经元,它们对RNAi是难治的(不太敏感)。虽然 可以通过过表达 SID-1(dsRNA摄取所必需的跨膜蛋白22)来增强特定细胞中的RNAi效率,但这仍然局限于用于这些构建体的启动子的细胞类型特异性表达模式,因此基因敲除和突变是消耗基因功能的最万无一失的手段。除了RNAi介导的敲低之外, 秀丽隐杆线虫 也非常适合基于CRISPR的策略23,24,25和通过显微注射进行转基因构建体过表达的基因组编辑,可以选择通过辐照或基于转座子的整合来整合转基因构建体26,27,28,29.然而,这些方法需要昂贵的显微注射设备,并且指导RNA或Cas9酶的高成本可能在资金有限的机构中禁止这些方法。相反,成千上万的转基因品系和突变体在卡诺哈布迪炎遗传学中心(CGC)和国家生物资源项目(NBRP)都很容易获得。NBRP为大量 秀丽隐杆线虫 基因提供分离的突变体,包括已发表且因此经过验证的突变株,来自试点项目的突变体以及尚未表征的突变体。相比之下,CGC是研究界主要发表和建立的 秀丽隐杆线虫 系的存放处。它们都以非常合理的价格在全球范围内运送菌株,并为那些内部合成菌株能力有限的人提供了各种各样的选择。
这里提供了一个精选的方法集合,这可能是测定秀丽隐杆线虫寿命和健康状况的最低成本方法。这里介绍的所有方法都需要低成本的设备和用品,并且只利用CGC容易获得的菌株。对于秀丽隐杆线虫的长寿和存活测定,也许最令人望而却步的是线虫生长培养基(NGM)板的成本。由于秀丽隐杆线虫是雌雄同体的,并且具有自我受精性,因此标准的生存测定要求成年动物不断远离其后代,以避免后代的污染。该过程不仅耗时,而且由于每个条件需要大约100个板来运行单个寿命测定,因此可能会变得昂贵。这里提供了两种选择:利用对温度敏感的无种系突变体glp-4(bn2)或使用5-氟-2′-脱氧尿苷(FUDR)进行化学灭菌。glp-4编码戊基氨基酰基tRNA合成酶,并且由于蛋白质翻译减少30,31,温度敏感的glp-4(bn2)在限制性温度下生殖缺陷。FUDR是一种通过阻止DNA复制对秀丽隐杆线虫进行化学灭菌的可靠方法,从而抑制繁殖32。虽然FUDR对于一些实验室来说可能非常昂贵,但只需要少量的化学灭菌蠕虫,其粉末形式的稳定性可能使其适用于大多数组。利用温度敏感的glp-4(bn2)突变体当然是最便宜的选择,因为唯一的要求是将动物转移到限制性25°C的培养箱;然而,应该注意的是,在25°C下生长可能会引起轻微的热应激33,34。无论采用何种方法,使用无菌动物都可以显著降低年龄相关检测所需的耗材成本。
为了研究衰老,标准寿命测定是传统的,因为改变寿命的范式对衰老有直接影响。然而,健康跨度和压力耐受性的测量提供了有关生物体健康状况的额外信息。这里提供了几种测量健康跨度的方法:1)生育率作为生殖健康的衡量标准;2)育雏大小作为下岗后代发育健康和生存能力的衡量标准;3)运动行为作为肌肉功能和运动的衡量标准,两者都与衰老直接相关。此外,还提供应激耐受性测定:ER应激存活率,线粒体/氧化应激和热应激存活。事实上,对ER应激35,36,线粒体应激37和热应激38 的抵抗力增加的动物表现出更长的寿命。ER应激是通过使 秀丽隐杆线虫暴露于长 春霉素来施加的,其阻断N-连锁糖基化并导致错误折叠蛋白质的积累39。线粒体/氧化应激是由暴露于百草枯引起的,百草枯会特别在线粒体40 中诱导超氧化物的形成。通过在34-37°C 33,41下孵育动物施加热应激。这里描述的所有测定都可以用最少的设备和资金进行,并提供各种工具来研究不同群体的衰老。
寿命,最简单地定义为生命的持续时间,在大多数生物体中是一个明显的二元现象 – 生物体是活的,或者不是活的。然而,长寿并不总是与生物体的健康相关。例如,线粒体激素模型暴露于线粒体压力显着增加寿命通常是一些寿命最长的动物,但表现出发育迟缓和代谢功能下降37,54。同样,具有过度活跃的内质网应激反应的动物也表现出某些行为和表型,这些行为和表型可能与健康状况下降相关,尽管蛋白质稳态和寿命显着改善36,49。最后,模式生物中的许多长寿范式,包括增加的HSF-1功能55,增加的XBP-1功能56和改变的Foxo信号传导57 都与癌症风险的增加相关,并且无可争辩的是,如果一个生物体不断与癌症和其他健康疾病作斗争,那么延长寿命是没有益处的。因此,长寿不能成为衰老生物学中的独立衡量标准。
因此,健康跨度的概念已成为衰老生物学中一个不断发展的领域。健康跨度,松散地定义为一个人健康的一生时期,比长寿更难确定。然而,与长寿不同,“健康”的概念很复杂,因为对有机体健康有许多不同的读数:在有机体水平上,有肌肉功能/力量,神经元/认知功能,生殖健康等;在细胞水平上有蛋白质稳态,脂质稳态,葡萄糖稳态,代谢等。2014年,衰老生物学家已经明确地描述了衰老的生物学特征,其结构化定义是,它必须是在衰老过程中自然分解的东西,并且可以通过实验改变,使得实验恶化应该加速衰老,实验干预应该减缓衰老。衰老的这九个标志包括基因组不稳定,端粒损耗,表观遗传改变,蛋白质稳态丧失(蛋白平衡),干细胞耗尽,细胞间信号改变,线粒体功能障碍,营养传感失调和细胞衰老58。从那时起,许多研究认为应该包括其他因素,包括细胞外蛋白和全身生理学,如免疫和炎症59。最终,健康跨度的复杂定义要求使用多种不同的方法测量有机体健康。
因此,在本手稿中,提出了多种方法,使用线虫模型 秀丽隐杆线虫来衡量健康跨度的各个方面。我们使用撞击测定法测定运动行为,使用卵数和育雏大小测定生殖健康,以及对压力的敏感性。事实上,运动行为是测量健康跨度的黄金标准方法,因为生物体在51岁衰老期间表现出显着的运动和运动损失。运动行为的丧失可归因于衰老的多个标志,因为 秀丽隐杆线虫 的肌肉功能取决于适当的蛋白平衡60,线粒体功能障碍61和神经元肌肉信号传导62。虽然这份手稿侧重于运动行为的一种测量,但重要的是要注意存在许多其他方法,包括固体琼脂平板上动物的运动性,对触摸的反应51和趋化性测定63。然而,这些方法通常需要更复杂的记录设备,使用蠕虫跟踪软件,或使用昂贵,危险或挥发性化学品,所有这些都可能在某些研究环境中令人望而却步。
此外,卵数和育雏大小的测定被作为测量生殖健康的方法和测量成虫细胞分裂的最简单方法,因为成虫是有丝分裂后,只有生殖细胞和胚胎在成虫64内进行细胞分裂。作为细胞分裂的衡量标准,生殖健康可能与细胞衰老和干细胞衰竭的衰老标志有关。生殖健康可能受到许多因素的影响,包括致病性感染65 或暴露于压力49,尽管生殖健康与长寿之间没有直接的相关性。事实上,一些长寿的动物表现出育雏大小49的显着减少,甚至有可能长寿与育雏大小50之间存在负相关关系。这不是 秀丽隐杆线虫特有的现象,因为早在人类66,伴侣犬67和小鼠68中就观察到了繁殖对长寿的不利影响。尽管如此,我们仍然提供卵子数量和育雏大小作为衡量生殖健康的可靠且低成本的方法,但要注意生殖健康可能与寿命或健康寿命无关。
最后,生存测定作为生物体健康的间接衡量标准。重要的是,细胞应激反应,包括对热应激69和ER应激35的反应在衰老过程中迅速下降,并且与蛋白停止70,71的衰老标志直接相关。相比之下,过度激活的压力反应可以通过促进对压力的恢复力来显着延长寿命35,37,38。虽然本研究侧重于最简单和成本最低的方法,但存在大量针对耐热性41和氧化应激66的应力弹性测定的替代方法,每种方法都需要一套不同的设备和消耗品。除了简单的应激源暴露研究外,还可以根据设备的可及性进行其他生理方法。例如,细胞外通量分析仪可以监测线粒体功能和细胞呼吸73;荧光解剖显微镜将允许测量应激反应激活20的转录报告者;高分辨率复合或共聚焦显微镜可用于测量线粒体74,内质网75,76和肌动蛋白细胞骨架77的荧光探针的细胞器形态。
作为测量寿命的最后一个警示故事,虽然提供了用于对蠕虫进行绝育的化学和遗传方法来显着降低成本,但重要的是要注意,两者都会直接影响寿命。例如,以前曾报道过暴露于FUDR会影响寿命和耐热性45。虽然 glp-4(bn2) 突变体本身对寿命没有任何直接影响,但在25°C下生长是温和的热应激33,34 ,因此可以影响寿命2。还有其他方法可以对 秀丽隐杆线虫进行绝育,包括生长素介导的不育78 或替代的温度敏感精子缺陷突变体79。然而,所有方法都有一些警告,应注意利用每个实验室的科学需求的最低有害测定。长寿研究的最后一个限制是潜在的变异性,这种变异性可能是由于样本量低或仅仅是由于研究者的客观误差而发生的。随着新技术在自动化寿命技术80中诞生,这可以规避,但这些系统同样成本高昂,需要一些工程和计算设备和技能。最终,这里提供的方法集合是一套可靠的工具,可以在几乎任何机构中快速适应和学习,并为衰老生物学提供坚实的基础。
The authors have nothing to disclose.
G.G.由T32AG052374支持,R.H.S.由国家老龄化研究所的R00AG065200支持。我们感谢CGC(由NIH研究基础设施计划办公室资助的P40 OD010440)的菌株。
APEX IPTG | Genesee | 18-242 | for RNAi |
Bacto Agar | VWR | 90000-764 | for NGM plates |
Bacto Peptone | VWR | 97064-330 | for NGM plates |
Calcium chloride dihydrate | VWR | 97061-904 | for NGM plates |
Carbenicillin | VWR | 76345-522 | for RNAi |
Cholesterol | VWR | 80057-932 | for NGM plates |
DMSO | VWR | BDH1115-1LP | solvent for drugs |
LB Broth | VWR | 95020-778 | for LB |
Magnesium sulfate heptahydrate | VWR | 97062-132 | for NGM plates, M9 |
Paraquat | Sigma-Aldrich | 36541 | for oxidative/mitochondrial stress |
Potassium Chloride | VWR | 97061-566 | for bleach soluton |
Potassium phosphate dibasic | VWR | EM-PX1570-2 | for NGM plates |
Potassium phosphate monobasic | VWR | EM-PX1565-5 | for M9 |
S7E Dissecting Scope | Leica | 10450840 | Standard dissecting microscope |
Sodium Chloride | VWR | EM-SX0420-5 | for NGM plates, M9 |
Sodium hypochlorite | VWR | RC7495.7-32 | for bleach solution |
Sodium phosphate dibasic | VWR | 71003-472 | for M9 |
Tetracycline hydrochloride | VWR | 97061-638 | for RNAi |
Tunicamycin | Sigma-Aldrich | T7765-50MG | for ER stress |