Summary

De capillaire Feeder test meet voedselinname bij<em> Drosophila melanogaster</em

Published: March 17, 2017
doi:

Summary

The CApillary FEeder (CAFE) assay is a simple, budget-friendly, highly reliable method for investigating mechanisms underlying food intake. Used with the highly versatile genetic model organism Drosophila melanogaster, it provides a powerful means of gaining new insights into regulatory mechanisms of food intake.

Abstract

For most animals, feeding is an essential behavior for securing survival, and it influences development, locomotion, health and reproduction. Ingestion of the right type and quantity of food therefore has a major influence on quality of life. Research on feeding behavior focuses on the underlying processes that ensure actual feeding and unravels the role of factors regulating internal energy homeostasis and the neuronal bases of decision-making. The model organism Drosophila melanogaster, with its great variety of genetically traceable tools for labeling and manipulating single neurons, allows mapping of neuronal networks and identification of molecular signaling cascades involved in the regulation of food intake. This report demonstrates the CApillary FEeder assay (CAFE) and shows how to measure food intake in a group of flies for time spans ranging from hours to days. This easy-to-use assay consists of glass capillaries filled with liquid food that flies can freely access and feed on. Food consumption in the assay is accurately determined using simple measurement tools. Herein we describe step-by-step the method from setup to successful execution of the CAFE assay, and provide practical examples to analyze the food intake of a group of flies under controlled conditions. The reader is guided through possible limitations of the assay, and advantages and disadvantages of the method compared to other feeding assays in D. melanogaster are evaluated.

Introduction

Eten is van essentieel belang; echter deregulering van voedselinname waardoor eetstoornissen zoals boulimie, anorexia of algemene tendens om oplegt overeten kosten particulieren en maatschappij 1, 2, 3. Het doel van dit onderzoek is om regulerende mechanismen van de voedselinname te ontdekken en een strategie voor het omzeilen van wanorde formatie te verstrekken. Talrijke studies met zoogdiermodel organismen zijn nieuwe inzichten van de schakeling en de rol van signaleringssystemen die in eetstoornissen 4, 5, 6. Niettemin, onze kennis van de neuronale en moleculaire grondslagen van deze aandoeningen nog lang niet voltooid. In de afgelopen jaren, de fruitvlieg Drosophila melanogaster is een waardevol modelsysteem voor het ontrafelen van fundamentele mechanistische inzichten in de regulatie van metabolis gewordenm 7, 8, 9. De capillaire Feeder (CAFE) assay voor Drosophila melanogaster werd opgericht in het lab van Seymour Vergelijkbare in 2007 geïnspireerd door een eerder werk van Dethier in bromvlieg 10, 11. De KOFFIE bepaling maakte het mogelijk om direct te meten voedselinname bij Drosophila melanogaster. In deze gedrags-testsysteem, vliegen voeden zich met vloeibaar voedsel verstrekt in gesorteerde glas haarvaten geplaatst in een flesje. De daling van de capillaire meniscus geeft verlies van voedsel oplossing via verdamping en voedselconsumptie. Het bepalen van de verdamping door flesjes zonder vliegen maakt het mogelijk nauwkeurige kwantificering van de voedselinname.

De KOFFIE assay is één van verscheidene gedragsparadigma's gebruikt voor het voederen meten Drosophila melanogaster en onderzoekers moeten de meest geschikte kiezen voor hun specifiekevraag. De beslissing om een ​​bepaalde test te gebruiken moet de volgende punten te overwegen: de aard van het voedsel verstrekt; het voederen toestand; het meten van de inname of opname van voedingsstoffen en het onderzoek voedselconsumptie of reactie op voedsel.

De CAFE-assay zoals beschreven in dit rapport is ideaal voor het volgen van de voedselinname van een vloeistof bron van voedsel onder een rechtopstaande voeden toestand. Als alternatief kan de voedselinname kan worden bepaald voor een vlieg groep op een gekleurde voedselbron in een flesje of op een plaat. Vliegen worden normaal gedood of verdoofd na de voeding en de hoeveelheid opgenomen kleurstof wordt bepaald door spectrometrie of visuele inspectie van de gekleurde buik. Vliegen beginnen om de opgenomen voedsel scheiden pas 30 minuten na inname, dus deze aanpak is moeilijk te gebruiken voor de analyse van continue langer voeden gedragingen 12, 13.

In tegenstelling worden vliegt intact gehouden wanneer absorbeerbare kleurstofs met radioactieve tracers worden gebruikt en hun consumptie van radio-isotoop wordt gescoord in een scintillatieteller 14, 15. Absorptie van het radiolabel door de vlieg spijsverteringsstelsel maakt op lange termijn voedselopname meting mogelijk, maar kan leiden tot een onderschatting van het verbruik als gevolg van niet-geabsorbeerd en uitgescheiden tracer moleculen. Een andere benadering om de respons op voedsel in Drosophila melanogaster te meten is de proboscis extensie respons (PER), die normaal gesproken optreedt voor voedselinname 16. Deze elegante methode meet het initiële antwoord op een levensmiddel stimulus, maar niet de hoeveelheid inname nemen. Voedselinname wordt dynamisch aangepast tijdens het voeden met behulp van verschillende post-digestieve feedback signalen die van cruciaal belang voor de regulering van de voeding 17, 18 zijn. Verschillende pogingen zijn in de afgelopen jaren semi-automatiseren gegevensverzameling met PER assay <sup class = "xref"> 19, 20. De PER wordt gedetecteerd door een elektrisch pad of een combinatie van de elektroden en geteld via de computer. Combineren van de PER assay met radioisotoop opname gebleken dat deze assay beperkt door de lage gevoeligheid voor het detecteren van de hoeveelheid voeding 18 verschillen. De voeding assay manual (MAFE) 21, waarin een vlieg handmatig wordt gevoed met een glazen capillair, werd onlangs ontwikkeld om voedselopname te meten in één geïmmobiliseerde vlieg. De MAFE test elimineert de interferentie van foerageren en voederen initiatie en heeft een tijdsresolutie van seconden, en initiatie van PER en voedselconsumptie kunnen onafhankelijk worden gecontroleerd in de test. De wijze waarop immobilisatie van de vlieg invloed bepaalde aspecten van voedingsgedrag (bv locomotie, motivatie) moet nog worden onderzocht. Voor een uitstekende vergelijkende overzichten van de verschillende assays voor het meten van de voedselconsumptie in Drosophila melanogaster en onderzoekers vinden van de meest geschikte hulp, zie verslagen van Deshpande en Marx 13, 22.

De assay KOFFIE vermijdt enkele van de nadelen van andere die hierboven beschreven en eenvoudige bediening met betrouwbare meting van voedselinname. Hier wordt een gedetailleerde beschrijving van de CAFE-test geleverd en laten we een eenvoudige setup wijziging van verdamping te verminderen. Representatieve resultaten waaronder een twee voedselkeuze assay (korte en lange termijn) en de sucrose opname van vliegen is aangetoond. In de discussie vergelijken we onze methode beschreven met alternatieve manieren om de CAFE-test uit te voeren, en markeer mogelijke beperkingen.

Protocol

1. De CAFE Assay OPMERKING: De test bestaat uit drie componenten: een experimentele flesje, een specifieke deksel en micro- capillairen. Een plastic doos met deksel wordt gebruikt om de voorbereide flesjes transporteren en de vochtigheid efficiënter regelen. Gebruik een Drosophila melanogaster cultuur plastic flesje (optioneel 8 cm hoog, 3,3 cm diameter) als een buis voor de test. Verzegel de flacon met een plexiglas deksel vervaardigd met een O-ring (F…

Representative Results

Vliegen van de w 1118 genotype gebruikt aantonen hoe de test wordt uitgevoerd. W 1118 mutanten worden gewoonlijk gebruikt om transgene lijnen te genereren en besturen de genetische achtergrond van transgenen gemarkeerd met het witte gen. Normaal, voor gedragsexperimenten, alle transgene lijnen teruggekruist vijf generaties dezelfde w 1118 aandelen, die wordt gebruikt als een experimentele controle. We tonen verschillend…

Discussion

Het rapport beschrijft de CAFE-test in een stap-voor-stap mode, gericht op de technische installatie en haar succesvolle optreden in het laboratorium. Vanwege zijn eenvoud, deze test kan ook worden gebruikt als educatief schoolexperiment. De voorbeelden laten zien dat de test maakt onderzoek voedsel sensing, voorkeur en verbruik in Drosophila melanogaster over korte en langere perioden (uren tot dagen). Het CAFE-test is op grote schaal gebruikt in het veld om onderwerpen, zoals voedsel en drugsgebruik, verslavi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank the past and present members of the Scholz lab for discussion and Helga Döring for excellent technical support. We especially thank the members of the Biocenter workshop of the University of Cologne for their support and creativity. The work is supported by SFB 1340, SysMedAlc, and DAAD-Siemens.

Materials

Vials (breeding) Greiner Bio-One 960177 www.greinerbioone.com
Vials (CAFE assay) Greiner Bio-One 217101 www.greinerbioone.com
Lid-CAFE assay Workshop
Plastic box, low wall Plastime 353 www.plastime.it
Cover for the plastic box Workshop
Capillaries BLAUBRAND  REF 7087 07 www.brand.de
Pipette tips Greiner Bio-One 771290 www.greinerbioone.com
Filter paper circles Whatman 10 311 804 www.sigmaaldrich.com
D(+)-Sucrose AppliChem 57-50-1 www.applichem.com
Ethanol absolute VWR Chemicals 20,821,330 www.vwr.com
Food color (red, E124) Backfun 10027 www.backfun.de
Food color (blue, E133) Backfun 10030 www.backfun.de
Soap solution (CVK 8) CVH 103220 www.cvh.de
Digital caliper GARANT 412,616 www.hoffmann-group.com
Vials (breeding) Height 9.8 cm, diameter 4.8 cm 
Vials (CAFE assay) Height 8 cm, diameter 3.3 cm
Lid-CAFE assay Produced in university workshop, technical drawing supplied
Plastic box, low wall A plastic grid inlay was custom-made for 8 x 10 vial positions 
Cover for the plastic box Dimensions (37 x29 x18 cm)
Capillaries DIN ISO 7550 norm,  IVD-guideline 98/79 EG, ends polished
Pipette tips Pipettes for the outer circle are cut according to the lid
Filter paper circles 45 mm diameter works nicely if folded for the vials used
D(+)-Sucrose Not harmful
Ethanol absolute Highly flammable liquid and vapor
Food color (red, E124) Not stated
Food color (blue, E133) Not stated
Soap solution (CVK 8) Odor neutral soap
Digital caliper
Standard fly food (for 20 L)
Agar 160 g
Brewer`s Yeast 299.33 g
Cornmeal 1200g
Molasses 1.6 L
Propionic acid 57.3 mL
Nipagin 30% 160 mL

References

  1. Krauth, C., Buser, J., Vogel, K. How high are the costs of eating disorders – anorexia nervosa and bulimia nervosa – for German society. Eur. J. Health Econ. 3 (4), 244-250 (2002).
  2. Cawley, J., Meyerhoefer, C. The medical costs of obesity and instrumental variables approach. J. Health Econ. 31, 219-230 (2012).
  3. The costs of eating disorders: Social, health and economic impacts. Assessing the impact of eating disorders across the UK on behalf of BEAT. PwC Available from: https://www.beat.co.uk/assets/000/000/302/The_costs_of_eating_disorders_Final_original.pdf (2015)
  4. Lenard, N. R., Berthoud, H. R. Central and peripheral regulation of food intake and physical activity: pathways and genes. Obesity. 16, S11-S22 (2008).
  5. Magni, P., et al. Feeding behavior in mammals including humans. Trends in Comp. Endocrinology and Neurobiology. 1163, 221-232 (2009).
  6. Morton, G. J., Meek, T. H., Schwartz, M. W. Neurobiology of food intake in health and disease. Nature Reviews Neuroscience. 15, 367-378 (2014).
  7. Bharuchka, K. N. The epicurean fly: using Drosophila melanogaster to study metabolism. Pediatr. Res. 65 (2), 132-137 (2009).
  8. Smith, W. W., Thomas, J., Liu, J., Li, T., Moran, T. H. From fat fruit fly to human obesity. Physiol. Behav. 136, 15-21 (2014).
  9. Rajan, A., Perrimon, N. Of flies and men: insights on organismal metabolism from fruit flies. BMC Biology. 11, (2013).
  10. Ja, W. W., et al. Prandiology of Drosophila and the CAFE assay. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (20), 8253-8256 (2007).
  11. Dethier, V. G. . The Hungry Fly: A Physiological Study of the Behavior Associated with Feeding. , (1976).
  12. Albin, S. D., Kaun, K. R., Knapp, J., Chung, P., Heberlein, U., Simpson, J. H. A subset of serotonergic neurons evokes hunger in adult Drosophila. Curr. Biol. 25, 2435-2440 (2015).
  13. Deshpande, S. A., et al. Quantifying Drosophila food intake: comparative analysis of current methodology. Nat. Methods. 11 (5), 535-540 (2014).
  14. Geer, B. W., Olander, R. M., Sharp, P. L. Quantification of dietary choline utilization in adult Drosophila melanogaster by radioisotope methods. J. Insect Physiol. 16, 33-43 (1970).
  15. Thompson, E. D., Reeder, B. A., Bruce, R. D. Characterization of a method for quantitating food consumption for mutation assays in Drosophila. Environ. Mol. Mutagen. 18, 14-21 (1991).
  16. Wong, R., Piper, M. D., Wertheim, B., Partridge, L. Quantification of food intake in Drosophila. PLoS One. 4 (6), e6063 (2009).
  17. Scheiner, R., Steinbach, A., Classen, G., Strudthoff, N., Scholz, H. Octopamine indirectly affects proboscis extension response habituation in Drosophila melanogaster by controlling sucrose responsiveness. J. Insect Physiol. 69, 107-117 (2014).
  18. Liu, Y., Luo, J., Carlsson, M. K., Nässel, D. R. Serotonin and insulin-like peptides modulate leucokinin-producing neurons that affect feeding and water homeostasis in Drosophila. J. Comp. Neurol. 523, 1840-1863 (2015).
  19. Ro, J., Harvanek, Z. M., Pletcher, S. D. FLIC: high-throughput, continuous analysis of feeding behaviors in Drosophila. PLoS One. 9 (6), e101107 (2014).
  20. Itskov, P. M. Automated monitoring and quantitative analysis of feeding behavior in Drosophila. Nat. Commun. 5, 4560 (2014).
  21. Qi, W., Yang, Z., Lin, Z., Park, J. Y., Suh, G. S. B., Wang, L. A quantitative feeding assay in adult Drosophila reveals rapid modulation of food ingestion by its nutritional value. Mol. Brain. 8, 87 (2015).
  22. Marx, V. Metabolism: feeding fruit flies. Nat. Methods. 12 (7), 609-612 (2015).
  23. Spieth, H. T. Courtship behavior in Drosophila. Annu. Rev. Entomol. 19, 385-405 (1974).
  24. Devineni, A. V., Heberlein, U. Preferential ethanol consumption in Drosophila models features of addiction. Curr. Biol. 19 (24), 2126-2132 (2009).
  25. Lee, K. P., et al. Lifespan and reproduction in Drosophila: New insights from nutritional geometry. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (7), 2498-2503 (2008).
  26. Pohl, J. B., et al. Ethanol preference in Drosophila melanogaster is driven by its caloric value. Alcohol Clin. Exp. Res. 36 (11), 1903-1912 (2012).
  27. Vargas, M. A., Luo, N., Yamaguchi, A., Kapahi, P. A role for S6 kinase and serotonin in postmating dietary switch and balance of nutrients in D. melanogaster. Curr. Biol. 20 (11), 1006-1011 (2010).
  28. Masek, P., Scott, K. Limited taste discrimination in Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (33), 14833-14838 (2010).
  29. Pool, A. H., Scott, K. Feeding regulation in Drosophila. Curr. Opin. Neurobiol. 29, 57-63 (2014).
  30. Luo, J. N., Lushchak, O. V., Goergen, P., Williams, M. J., Nässel, D. R. Drosophila insulin-producing cells are differentially modulated by serotonin and octopamine receptors and affect social behavior. Plos One. 9 (6), e99732 (2014).
check_url/kr/55024?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Diegelmann, S., Jansen, A., Jois, S., Kastenholz, K., Velo Escarcena, L., Strudthoff, N., Scholz, H. The CApillary FEeder Assay Measures Food Intake in Drosophila melanogaster. J. Vis. Exp. (121), e55024, doi:10.3791/55024 (2017).

View Video