Ce protocole décrit un test permettant de quantifier le taux d’alimentation de Caenorhabditis elegans basé sur la mesure de l’élimination des bactéries en culture liquide.
L’alimentation est un processus biologique essentiel à la croissance, à la reproduction et à la survie d’un organisme. Ce test vise à mesurer l’apport alimentaire de Caenorhabditis elegans (C. elegans), un paramètre important lors de l’étude de la génétique du vieillissement ou du métabolisme. Chez la plupart des espèces, l’alimentation est déterminée en mesurant la différence entre la quantité de nourriture fournie et la quantité restante après un intervalle de temps donné. La méthode présentée ici utilise la même stratégie pour déterminer l’alimentation de C. elegans. Il mesure la quantité de bactéries, la source de nourriture de C. elegans, éliminées en 72 heures. Cette méthode utilise des plaques de microtitration à 96 puits et a permis de cribler des centaines de médicaments pour leur capacité à moduler l’apport alimentaire à une vitesse et une profondeur impossibles dans d’autres modèles animaux. La force de ce test est qu’il permet de mesurer simultanément l’alimentation et la durée de vie et de mesurer directement la disparition de la nourriture et, ainsi, est basé sur les mêmes principes que ceux utilisés pour d’autres organismes, facilitant la comparaison d’une espèce à l’autre.
Caenorhabditis elegans a été largement utilisé dans la recherche sur le vieillissement. Il s’agit d’un modèle puissant pour étudier la génétique sous-jacente à la longévité induite par le métabolisme induite par une restriction alimentaire, une activité mitochondriale réduite ou une signalisation de l’insuline réduite. 1,2,3,4,5,6,7. Cependant, la mesure de l’alimentation dans le contexte de la longévité s’est avérée difficile pour C. elegans en raison de la petite taille de l’animal 3,8,9,10,11,12,13,14,15.
L’alimentation est un comportement biologique fondamental nécessaire à la survie, et sa régulation stricte est au cœur du maintien de la santé métabolique, de la reproduction et du vieillissement. Le comportement alimentaire est contrôlé par de multiples voies de signalisation à la fois dans le système nerveux et à la périphérie et, par conséquent, ne peut être étudié qu’in vivo 16,17,18,19. L’alimentation représente le premier de trois piliers : (i) l’apport énergétique, (ii) le stockage de l’énergie et (iii) la dépense énergétique qui régissent l’homéostasie énergétique d’un organisme. L’alimentation de C. elegans a été principalement étudiée en mesurant le pompage pharyngé, tel que défini par le taux de contractions du pharynx. Cette approche a fourni des informations cruciales sur le comportement alimentaire de C. elegans 3,4,8,12,13,20,21 ; Cependant, le pompage pharyngé, surtout mesuré sur de courts intervalles de minutes, n’est pas nécessairement corrélé à l’apport alimentaire.
L’apport alimentaire n’est pas seulement déterminé par le taux de pompage pharyngé, mais aussi par des paramètres tels que la durée et la fréquence des épisodes d’alimentation et la densité des bactéries alimentaires. Un animal peut avoir un pompage pharyngé très élevé, mais la durée de ses séances d’alimentation peut être plus courte, ce qui compense l’augmentation du taux. Un autre facteur de confusion est l’efficacité avec laquelle le pompage peut ou non ingérer et broyer des bactéries. Un exemple extrême de découplage de l’apport alimentaire du pompage pharyngé est l’ajout de sérotonine sans qu’aucun aliment (bactérie) ne soit présent. En présence de sérotonine exogène, les animaux pompent à un taux élevé, mais sans bactéries présentes, le taux de pompage élevé n’entraîne pas d’apport alimentaire 2,6,13,22,23.
La méthode de clairance bactérienne présentée ici mesure l’apport alimentaire des populations de vers dans les puits individuels comme la diminution des concentrations bactériennes au fil du temps (Figure 1). Cette approche est similaire à celles utilisées chez d’autres espèces où la disparition de la nourriture représente une mesure de l’apport alimentaire 10,11,24,25,26,27,28. Dans la publication originale, nous avons validé cette méthode de mesure de l’ingestion alimentaire en nourrissant C. elegans avec 15bactéries marquées aux isotopesN 11. Des mesures ultérieures par spectrométrie de masse ont montré que la mesure de la disparition des bactéries était fortement corrélée avec l’apparition d’un marquage isotopique, révélant l’absorption réelle des bactéries dans l’animal11. Ainsi, nous sommes convaincus que le test de clairance bactérienne représente l’apport alimentaire dans la plupart des circonstances. Le but de l’essai n’est pas de remplacer l’essai de pompage pharyngé, mais d’ajouter à la boîte à outils des essais pour étudier l’alimentation et le métabolisme chez C. elegans et leur lien avec le vieillissement et la longévité.
Le protocole présenté mesure la clairance bactérienne comme lecture de l’apport alimentaire de C. elegans dans des plaques de microtitration à 96 puits. Les courbes dose-réponse de la section des résultats représentatifs montrent que le test mesure quantitativement l’apport alimentaire, une notion qui a été confirmée indépendamment à l’aide de bactéries marquées aux isotopes11. À l’aide de ce test, nous avons testé avec succès des médicaments approuvés par la FDA tels que des antipsychotiques avec des effets secondaires métaboliques humains connus et avons montré que ces médicaments augmentaient l’alimentation chez C. elegans10,26. Le test est utile pour étudier la génétique ou la pharmacologie de l’alimentation et ajoute un nouvel outil pour la recherche sur C. elegans pour étudier le métabolisme. Ce test fournit une méthode peu coûteuse pour étudier l’alimentation d’une manière évolutive et rapide, ce qui n’est pas possible dans la plupart des autres organismes. Nos travaux sur les médicaments approuvés par la FDA montrent que de nombreux effets secondaires observés chez les patients humains sont également observés chez C. elegans, révélant la conservation évolutive 24,26,32.
Le test est limité par la concentration de bactéries qui peut être mesurée dans la plage linéaire de la mesure OD600 . Par conséquent, le nombre de vers et la gamme de concentrations bactériennes pouvant être analysées sont limités. Trop de vers affecteront OD600 en consommant les bactéries trop rapidement, d’où le fait de « manger » la concentration bactérienne de l’OD600 linéaire. D’après notre expérience, la variabilité de la préparation bactérienne est le paramètre critique qui fait varier les résultats d’une expérience à l’autre. Nous avons essayé en vain de congeler de grands lots de bactéries ou d’utiliser des bactéries lyophilisées. Dans ces cas, soit le taux d’autolyse est devenu trop élevé, soit les bactéries étaient d’une qualité qui ralentissait le développement de C. elegans . Cependant, nos tests n’ont pas été exhaustifs, et ce problème pourrait être résolu.
En général, le taux d’autolyse de la bactérie est le plus difficile à contrôler, et il peut entraîner une variabilité considérable. Nous avons constaté que certains médicaments peuvent augmenter le taux d’autolyse à des niveaux que le test ne pouvait pas déterminer de manière fiable l’apport alimentaire. Étant donné que le taux d’autolyse augmente avec le temps dans le test, nous n’avons pas mesuré l’apport alimentaire au-delà du 5e jour de l’âge adulte. À cet âge, les bactéries sont en culture depuis ~10 jours. Pour mesurer l’apport alimentaire au-delà du 5e jour de l’âge adulte, les anciennes bactéries doivent être lavées et remplacées par des bactéries fraîches.
Le test présenté est une extension de notre test de durée de vie basé sur des plaques de microtitration de 96 puits31. Cette combinaison permet de mesurer la durée de vie et l’apport alimentaire dans une même population. Bien que le test de clairance bactérienne présenté ici ne permette pas de déterminer l’apport alimentaire sur toute la vie de C. elegans en raison de l’autolyse bactérienne, il fournit des données solides pour les quatre premiers jours de l’âge adulte, période où l’apport alimentaire est le plus élevé. En particulier pour la découverte de médicaments à petites molécules, le contrôle de l’apport alimentaire est essentiel. En résumé, nous prévoyons que le test présenté sera utile à la communauté de C. elegans et élargirons l’ensemble des outils pour étudier le métabolisme ou le contrôler dans le contexte des études sur le vieillissement et la durée de vie.
Planification:
Avant de planifier la mesure de l’apport alimentaire, il faut tenir compte de quelques considérations.
Tuer les bactéries :
Nous tuons les bactéries par irradiation aux rayons X dans un tube conique de 50 mL (900 Gray pendant 4 h réglé à 160,0 kV et 25,0 mA). Nous utilisons le RS2000 de Rad Source pour l’irradiation. Selon l’équipement, le temps spécifique et la dose de rayonnement peuvent varier d’une installation à l’autre. La destruction complète de la bactérie doit être déterminée en plaçant les bactéries après l’irradiation pour détecter les survivants par croissance. Il est essentiel de tuer toutes les bactéries pour empêcher la croissance pendant le test, car cela entraînerait une sous-estimation de l’alimentation, voire des valeurs alimentaires négatives. Il est important de noter que les bactéries doivent être tuées pour que C. elegans puisse encore les manger. D’après notre expérience, il existe trois façons de tuer de grandes quantités de bactéries de manière fiable : (i) l’irradiation par rayons X, (ii) par les rayons γ, et (iii) l’ajout de formaldéhyde29,30. Les taux d’autolyse entre ces trois méthodes sont comparables, avec un coefficient de variation de 8 % entre les taux d’autolyse pour les expériences présentées à la figure 3B. Les méthodes qui n’ont pas fonctionné de manière fiable entre nos mains étaient l’irradiation UV, les cocktails d’antibiotiques, l’inactivation de la chaleur et l’azoture de sodium. Ces méthodes ne parviennent pas à tuer complètement les bactéries (UV et antibiotiques), ne produisent pas de bactéries que C. elegans ne mange pas (chaleur) ou modifient l’apport alimentaire (azoture de sodium).
Nombre de répétitions :
D’après notre expérience, les changements de pli dans l’alimentation sont généralement faibles par rapport à la variation observée. Ainsi, la mesure des changements dans l’apport alimentaire nécessite plusieurs puits répétés. Les figures 2A et B montrent des plaques de 96 puits conçues pour quatre ou six conditions différentes, avec 21 ou 14 puits de réplication et deux puits de contrôle d’autolyse sans vers. Compte tenu de la grande variabilité et des changements relativement faibles auxquels on peut s’attendre, les changements de 0,5 à 2,5 fois dans l’alimentation ont tendance à être les limites inférieure et supérieure. Nous recommandons 14 à 21 puits répétés pour chaque condition et au moins deux puits de contrôle d’autolyse, décrits ci-dessous. Ces répétitions sont suffisantes pour générer des courbes dose-réponse quantitatives pour les médicaments qui modifient l’alimentation11,26.
Contrôles d’autolyse :
L’OD600 mesure le nombre de particules dans une solution, la plupart du temps indépendamment de la taille des particules. Cependant, les bactéries mortes se lysent, perdant leur nature particulaire. C’est ce qu’on appelle l’autolyse, qui se produit indépendamment en présence de vers et abaisse les mesures deDO 600 sans que les vers ne les mangent. L’autolyse se produit pendant le test et doit être mesurée indépendamment dans au moins deux puits par condition. Ces puits reçoivent le même traitement que les autres dans le même état, sauf qu’ils ne contiennent pas de vers. Nous avons constaté que de nombreux médicaments peuvent également modifier le taux d’autolyse. Ainsi, chaque condition a besoin de puits de contrôle d’autolyse indépendants avec leur concentration respective. La figure 2 montre une configuration de plaque pour quatre ou six conditions avec tous les puits de contrôle d’autolyse au bas de la plaque dans la rangée H.
Population de référence N2 :
Nous avons également noté que la quantité absolue de bactéries consommées peut fluctuer d’une expérience à l’autre, très probablement liée à la qualité des bactéries. Malgré tous nos efforts pour les préparer exactement de la même manière à chaque fois, il y a des fluctuations. Par exemple, les bactéries peuvent être récoltées alors qu’elles sont dans un état de division pendant la phase de croissance logarithmique et, par conséquent, être beaucoup plus grandes que les bactéries récoltées dans la phase stationnaire. Par conséquent, ces simples différences de taille bactérienne peuvent entraîner des changements dans le nombre de bactéries consommées et des valeurs OD600 différentes, car les mesures OD600 ne font pas de distinction entre les tailles. Pour cette raison, nous incluons toujours une population d’animaux témoins N2 non traités qui servent de valeur de référence, fixée à 1 ou 100 %, pour déterminer si les groupes expérimentaux mangent plus ou moins que le témoin N2. Cette pratique permet des comparaisons entre expériences, même si les valeurs OD600 varient.
Intervalles de temps :
L’utilisation des valeurs OD600 pour mesurer l’apport alimentaire nécessite une baisse mesurable de la concentration bactérienne. Parce que le volume de culture est beaucoup plus grand que celui des vers, ils doivent manger une quantité importante de bactéries pour faire une différence détectable. Pour rester dans la plage linéaire des valeurs OD600 , la concentration bactérienne doit rester entre ~1 mg/mL et 10 mg/mL, de sorte qu’une quantité considérable de bactéries doit disparaître pour la détecter. Les vers mangent le plus de la fin de la L4 au jour 4 de l’âge adulte en raison de la production d’œufs. Ainsi, cet intervalle est idéal. Des intervalles plus courts comme 24 h peuvent être mesurés11, mais c’est considérablement plus difficile et nécessite ~40 puits par condition. Une autre option pour mesurer l’apport alimentaire des larves est de doubler le nombre d’animaux par puits. Cependant, le problème avec cette approche est que trop de vers commenceront à affecter les lectures OD600 lorsqu’ils grandissent.
Solutions mères pour les médicaments à tester :
Si des médicaments tels que la sérotonine sont testés pour leur capacité à moduler l’alimentation, tenez compte de ce qui suit lors de la préparation des solutions mères. Nous préparons généralement un stock 50x pour les médicaments solubles dans l’eau et ajoutons 3 μL à chaque puits (1:50), mais d’autres concentrations de stock (100x, 300x) fonctionnent également. Cependant, si les médicaments sont dilués dans des solvants autres que l’eau (p. ex., DMSO), la concentration finale ne doit pas dépasser 0,5 %. Les solvants deviennent rapidement nocifs pour C. elegan. Ainsi, les solutions mères de médicaments dissous dans des solvants organiques tels que le DMSO doivent être 300x ou plus.
Score des vers vivants et morts :
La détermination des animaux vivants et morts est basée sur le mouvement du ver. Une lumière forte, en particulier la lumière bleue, est utilisée car elle fait bouger les animaux. De plus, l’évaluation du nombre d’animaux par puits permettra de déterminer s’il y a une surmortalité. La surmortalité peut survenir avec des substances toxiques ou des concentrations élevées (>0,5 %) de plusieurs solvants, y compris le DMSO. En général, il devrait y avoir moins de 1:100 (1 %) d’animaux morts. Les plaques peuvent être agitées pendant 30 s à 800 tr/min sur l’agitateur à plaques de microtitration si la nourriture s’est stabilisée et que la population devient difficile à compter. Ignorez les puits avec des mâles ou plus de 16 vers (voir problèmes).
Problèmes potentiels :
Secousses inadéquates :
Dans un milieu liquide, les bactéries peuvent facilement s’agglutiner et s’installer au fond des puits. D’après notre expérience, une agitation de moins de 20 minutes peut ne pas permettre de briser les amas bactériens et de les remettre en suspension, ce qui entraîne des mesures inexactes deDO 600 . Les mesures de l’OD600 en présence d’amas bactériens sous-estimeront la concentration bactérienne. Des réglages excessifs de l’agitateur peuvent faire en sorte que le liquide soit collé à l’étanchéité. Une fois que la scelleuse est retirée pour la lecture OD600 , le liquide collé à la scelleuse entraînera une lecture OD600 plus basse. S’il y a du liquide sur la scelleuse, faites tourner rapidement la plaque à basse vitesse (500-1 000 tr/min) et secouez à nouveau pendant 5 min. De plus, assurez-vous, comme indiqué pour les lectures du jour 1 et du jour 4, de lire dans les 10 minutes suivant l’agitation des plaques pour éviter que les bactéries ne se déposent.
Différentes valeurs absolues de l’apport alimentaire entre les expériences :
Malgré tous nos efforts pour normaliser les préparations bactériennes, elles diffèrent souvent d’une manière qui affecte l’apport alimentaire chez les vers. Par exemple, en raison de leur état de division, les bactéries diffèrent en taille selon qu’elles ont été récoltées dans la phase de croissance logarithmique ou stationnaire, les bactéries logarithmiques étant plus grandes. Étant donné que les mesures de DO600 ne font pas de distinction entre les tailles, les différences de taille des bactéries dues à la phase de récolte des bactéries peuvent conduire aux différences apparentes observées dans l’apport alimentaire de base entre les préparations bactériennes. La meilleure façon de comparer les expériences est de toujours inclure une population témoin N2 non traitée et de normaliser les résultats à cette population N2.
Effets d’encombrement :
La concentration bactérienne dans ce protocole est suffisante pour maintenir la DO600 dans la plage linéaire pour 2 à 16 vers par puits pendant ~72 h. Selon le médicament d’intérêt, un puits contenant plus de 16 vers peut épuiser la concentration bactérienne avant la deuxième mesure. Nous avons également constaté que les puits avec un seul animal ont tendance à ne pas être fiables. Le facteur de lyse l’emporte sur ce qu’un seul ver mange. Par conséquent, des erreurs mineures dans la détermination du facteur de lyse affectent de manière disproportionnée les puits avec moins de vers.
Nous recommandons d’exclure les puits des analyses statistiques si l’une des conditions ci-dessous est remplie. Il y a des mâles dans le puits (nous n’avons pas de données comparant l’apport alimentaire entre les mâles et les hermaphrodites) ; il y a moins de 2 vers dans le puits ou plus de 16 vers dans le puits ; les vers sont morts à la deuxième lecture ; ou s’il y a de la progéniture dans les puits parce que le FUdR a échoué. Le FUdR est sensible à la chaleur et s’inactive même à des températures aussi basses que 37 °C. Décongelez toujours le FUdR dans de l’eau à température ambiante.
Valeurs négatives de l’apport alimentaire :
Les valeurs d’apport alimentaire sont parfois négatives, ce qui suggère plus de nourriture le jour 4 que le jour 1. Des valeurs d’apport alimentaire négatives peuvent indiquer l’un des facteurs suivants : un taux d’autolyse élevé, peut-être causé par un médicament ajouté agissant sur les bactéries, ou des valeurs d’apport alimentaire négatives, qui peuvent suggérer que le puits est contaminé et que quelque chose d’autre que des vers se développe. Les taux d’autolyse augmentent également à mesure que les bactéries vieillissent ; Par conséquent, nous vous recommandons d’utiliser des bactéries datant de moins d’une semaine. Un médicament qui précipite avec le temps a été ajouté, affectant la valeur OD600 . Une agitation insuffisante le jour 1 peut entraîner une lecture inférieure deDO 600 en raison de groupes bactériens. Les vers ont subi un stress hypoxique. Cela se produit lorsque le rapport surface/air n’est pas suffisant pour permettre l’échange d’oxygène. Utilisez la plaque spécifique à 96 puits dans les matériaux et ne dépassez pas 150 μL (120 μL + 30 μL de FUdR) par puits. La distance entre la surface du puits et le fond où vivent les vers détermine la concentration en oxygène.
Limitations:
Ce test est limité à la culture liquide. Les comportements alimentaires observés dans les assiettes solides, tels que se déplacer sur et hors des pelouses alimentaires, ne peuvent pas être évalués avec le test.
The authors have nothing to disclose.
Nous tenons à remercier Xiaolan Ye, car ce protocole a été développé à la suite d’une observation qu’elle a faite à l’origine. Nous remercions tous les membres passés et actuels du Petrascheck Lab pour leur aide dans le développement et l’optimisation de ce protocole. Ces travaux ont été financés par R21 AG080376 (à M.P.). Certaines souches ont été fournies par la CGC, qui est financée par le Bureau des programmes d’infrastructure de recherche des NIH (P40 OD010440).
Amphotericin B | RPI | A40030-0.1 | solvent: EtOH |
Ampicillin | Fisher Scientific | BP176025 | solvent: water |
Bacto Peptone | BD Biosciences | 211677 | use to make NGM plates |
Carbenicillin | Fisher Scientific | 46-100-RG | solvent: water |
Cell strainer | Fisher Scientific | 22363547 | 40 µm to remove adults |
Cholesterol | MP Biomedicals | 02101380-CF | 5 mg/mL stock |
Difco, Agar, Bacteriological | BD Biosciences | 214510 | use to make NGM plates |
Fluorodeoxyuridine | Sigma Aldrich | F0503 | to sterilize worms on L4 |
Luria Broth | RPI | L24045-1000.0 | open capsule, mix with 1 L of water, autoclave |
M9 Buffer | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: 15 g Na2HPO4*12H2O (FW: 358) 3 g KH2PO4 (FW: 136) 5 g NaCl (FW: 58), 0.25 g MgSO4*7H2O (FW: 246) autoclave |
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Microplate Sealer | Fisher Scientific | 236707 | |
OP50 | Caenorhabditis Genetics Center | ||
Plate 96-well | Falcon | 351172 | |
Plate reader | Tecan | 30016056 | use 600 nm filter lens |
Potassium Citrate, 1 M , pH 6 | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: 268.8 g Potassium citrate tribasic monohydrate (FW: 324) 26.3 g citric acid monohydrate (FW: 210) 900 mL of dH2O pH to 6 using 5 M KOH autoclave |
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Potassium Phosphate, 1 M , pH 6 | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: 136 g KH2PO4 (FW: 136) 900 mL dH2O pH to 6 using 5 M KOH autoclave |
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S-Basal | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: 5.9 g NaCl (FW: 58) 50 mL 1 M potassium phosphate (pH 6) add 900 mL dH2O autoclave, cool to 55 °C |
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S-Complete | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: Add to 1 L of S-basal (cooled to 55 °C or RT) 10 mL of 1 M potassium citrate pH 6, 10 mL of trace metal solutions 3 mL of 1 M CaCl2 3 mL of 1 M MgSO4 |
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Serotonin hydrochloride | Thermo Scientific | AAB2126309 | used at 5 mM |
Sodium Chloride | Sigma Aldrich | S7653-5KG | to make buffers and NGM plates |
Terrific Broth | Thermo Scientific | J75856-A1 | 12.5 g in 250 mL of water, autoclave |
Titer plate Shaker | Thermo Scientific | 88880023 | shaken at 800 rpm, depends on shaker |
Trace Metals Solution | Laboratory Prepared | Store in sterile conditions at room temperature To prepare 1 L: 1.86 g Na2EDTA (FW: 372.24) 0.69 g FeSO4*7H2O (FW: 278) 0.20 g MnCl2*4H2O (FW: 198) 0.29 g ZnSO4*7H2O (FW: 287) 0.016 g CuSO4 (FW: 158) autoclave wrap in aluminum foil to keep in the dark |