This paper describes a method for the measurement of fuel oxidation in Drosophila melanogaster in which trace amounts of specific radiolabeled metabolic substrates are fed to flies. The exhaled radiolabeled CO2 that is a produced from fuel oxidation is collected and measured.
ショウジョウバエ遺伝学の力はますますホルモンシグナル伝達および代謝の質問およびこの生物においてヒト疾患のモデルの開発に適用されています。このような代謝率などのパラメータの測定のための感度の高い方法は、ショウジョウバエなどの小動物に生理学や病気の理解を駆動するために必要とされています。ここで説明する方法は、グルコースまたは脂肪酸のような14 C標識基質の微量を含有する食品を給餌成体ハエの少数の燃料酸化を評価します。給餌期間及び追加の実験操作後、ハエは、放射性標識CO 2が炭酸水素カリウムのような放射性標識基質の酸化から生成された場合、トラップは呼気KOH飽和濾紙を含むガラスバイアルに配置されたメッシュでキャップ短いチューブに転送されますKHCO 3。この放射性標識された重炭酸塩をシンチレーション計数によって測定されます。これは水溶液であり、燃料酸化の研究のため、uantitative再現性、および簡単な方法。放射性標識グルコース、脂肪酸、またはアミノ酸の使用は、摂食および絶食等の異なる遺伝的背景における異なる条件下でのエネルギー代謝にこれらの異なる燃料源の寄与の決意を可能にします。これは、 生体内エネルギー代謝に測定するために使用される他のアプローチを補完し、代謝調節をさらに理解すべきです。
モデル生物キイロショウジョウバエでの作業は、遺伝的原則、発生過程、成長、老化、行動、免疫およびヒト疾患1,2の理解に大きく貢献しています。 ショウジョウバエの遺伝的および細胞生物学的ア プローチの無数のは、これらの分野での進歩を牽引してきました。しかし、ショウジョウバエにおける代謝の研究は、このような小動物で代謝パラメーターを測定することの困難に大部分起因し、よりゆっくりと開発しました。糖尿病などのヒト疾患を研究するための成長と様々な病理への代謝の貢献を理解するためのモデルとしてショウジョウバエを用いての関心は、この生物3,4のための代謝技術を開発し、適応するためのフィールドをプッシュしています。
信頼性の高い方法は、今ショウジョウバエにおける代謝パラメータの数を測定するために利用可能です。例えば、食物摂取量を評価することは簡単です<s> 5まで、保存されたトリグリセリドおよびグリコーゲン、ならびにグルコースの循環血リンパレベルとグルコース4の2分子からなる二糖であるフライ、トレハロース、中の主要な循環砂糖のレベル。代謝トレーサーの使用は、このようなストレージ・フォームグリコーゲンやトリグリセリド6にグルコースなどの食事と吸収された栄養素の変換からの栄養吸収の研究を可能にしました。代謝率は、果実において評価することができる酸素消費7,8及び二酸化炭素(CO 2)産生の測定を飛びます。クエン酸サイクルは、食事および格納された炭水化物及び脂肪酸の代謝に由来するアセチル補酵素A(COA)としてサイクルに入ることができる2つの炭素単位を酸化します。サイクルの各ターンは、一分子GTP(またはATP)の各々と電子供与体FADH 2、NADHの3分子、及び廃棄物CO 2の二つの分子を生成します。 CO 2産生することができます基礎代謝率を推定するために使用することができます。総CO 2生成は、市販又は手製呼吸計9-10,11の使用により、ショウジョウバエで定量化することができます。
特にO 2消費の測定に結合された総CO 2産生の測定は、全身のエネルギー代謝に貴重な洞察を提供します。しかし、この尺度は、アデノシン三リン酸(ATP)の生産のために酸化される栄養素を特定するものではありません。炭水化物、脂肪酸、およびタンパク質:栄養素の三つの主要なクラスは、アセチルCoAへの変換以下のクエン酸サイクルに入ることができます。食事グルコースまたは保存されたグリコーゲン由来のグルコース-6-リン酸は、アセチルCoAを形成するピルビン酸デヒドロゲナーゼによって脱炭酸されてピルビン酸に変換することができます。その後、クエン酸サイクルに入るアセチルCoAのβ-酸化利回りによって食事から、または保存されたトリグリセリドから誘導される脂肪酸の内訳。最後に、アミノ酸の大部分は、例えばα-ケトグルタル酸などのCoAまたはクエン酸サイクル中間体アセチル、ピルビン酸への変換以下のクエン酸サイクルに入ることができます。
基礎および刺激条件時のエネルギー代謝に栄養固有の貢献は、放射性トレーサーの使用を介して監視することができます。ここに提示プロトコルは、培養12,13で増殖させた細胞における酸化を評価するために使用されるプロトコルからショウジョウバエにおける使用のために適合されています。このアプローチでは、ショウジョウバエは、標識されていない食品に追わ(時間)または長い(日)短パルスのための食事中の14 C放射標識代謝基質(炭水化物、脂肪酸、またはアミノ酸)、供給され、その後にさらさチャンバ重炭酸塩としての呼気CO 2を捕捉するための水酸化カリウム(KOH) -飽和濾紙を含みます。放射性標識重炭酸塩は、シンチレーション計数によって定量することができます。実験の間、放射性標識-CO 2産生の違いハエのAl基は、例えば、遺伝子型との間の燃料代謝の長期高速または内因性の違いにわたってATP産生のための異なる燃料の使用を反映することができます。
このプロトコルは、大人のキイロショウジョウバエにおける特定の放射性標識された基質の酸化を測定する方法を説明します。この手法は、簡単な定量的、再現可能かつ高感度であり、そしてATP産生のために酸化される栄養素(単数または複数)を同定するために使用することができるので、総CO 2産生およびO 2消費量を測定する既存の方法を補完します。
ここに記載された方法を用いて特定の放射性標識基質の酸化から遊離したCO 2の測定は、総CO 2産生を測定する技術に相補的です。総CO 2生成(VのCO2)は代謝率の推定を可能にし、合計O 2消費(V O2)が既知である場合、代謝率を算出することができ、酸化のための燃料源は、呼吸交換比(Vに基づいて推定することができますCO2 / V O2 = RER)。いつ炭水化物は排他的な基板、RER = 1であるが、脂肪酸は、グルコースと脂質酸化の反応の化学量論により、排他的なソース、RER = 0.7であるとき。 ショウジョウバエ 14内の酸素消費量を測定するための装置の不存在下で、酸化性燃料源を特定することができません。しかし、標識により1放射性基質または他の微量で飛ぶと、放射性標識CO 2生産の速度を測定、1は、刺激の間に異なる時点で与えられた基板を酸化するハエの能力について、またはAの効果について結論を出すことができます燃料酸化に変異を与えられました。
このプロトコルにおける重要なステップの数があります。流出および研究領域の汚染を避けるために、放射性物質を使用する場合、最初に注意を払うべきです。ステップ2.1と3.4の間にハエを麻酔ときに、第2、実験者は長期のCO 2の影響を避けるために迅速に取り組むべきです代謝や行動に暴露。 20ハエのグループは、麻酔をかけ、新しいバイアルに、または20秒以下でフライポッドに移すことができます。食品バイアルに麻酔装置から転送された場合、バイアルは、食品の表面に立ち往生から麻酔をかけたハエを防ぐために、その側に載置されるべきです。ハエは、ステップ2.2のように、数日間にわたって放射性標識された食品を供給している場合、実験者はハエが脱水に敏感であるとして、食品が乾燥しないようにしてください。
摂食または絶食状態標識前に、標識の選択、ラベリング時間の長さ、フライポッド内の時間の長さ、および麻酔の方法は、この技術を使用している場合、トラブルシューティングおよび修正を施すことができるパラメータです。まず、短い標識期間にさらさハエ(2から3時間)は、事前に絶食期間に供されない限り、放射性標識食品のかなりの量を消費する可能性は低いです。ラベルcの第二に、選択一つは、代謝表現型について描画することが可能である結論に影響を与えます。 D-からの放射性標識CO 2生産[6- 14 C] -グルコースが酸化を反映しているのに対し、例えばD-から、放射性標識されたCO 2の生産[1- 14 C] -グルコースは、クエン酸サイクルまたはペントースリン酸シャントを介して酸化を反映することができますクエン酸サイクルを通じてのみ12,15,16。必須アミノ酸17,18のための放射性標識トレーサーとハエを供給してタンパク質に由来するアミノ酸の酸化を評価するための良い戦略でしょう。最後に、放射性標識されたグルコースとの長い標識期間はまた、トリグリセリド19と、このような容易にピルビン酸と相互変換するアラニンなどのアミノ酸などの分子の他のクラスにこの前駆体の取り込みの可能性を提起します。これは、分子6のこれらの異なるクラスに組み込まれた放射能を測定することによって評価することができます。確かに、ハエの独立したコホートは、ラジアンを供給することができます。同様にして基板をiolabeledし、次いで、例えば、条件6を保存し、摂食中のグリコーゲン及びトリグリセリドのままであり、絶食されたフライポッド実験または放射性標識の測定に使用しました。別の戦略は、放射性標識された食事の栄養素自体ではなく、これらの栄養素の貯蔵形態の酸化を明らかにする可能性がある短い標識期間を使用することです。第三に、ハエの二つのグループが最初に一定時間以上14 CO 2生産の同一速度が、非常に異なる速度を有し得ることも可能です。したがって、フライポッドに費やす飛行時間の量を変化させることは、表現型の変化を評価する際に変更するための重要なパラメータです。最後に、このプロトコルは、フライポッド装置にハエを入れ、CO 2麻酔の短期間の使用を呼び出します。 CO 2麻酔フライポッド実験の過程で代謝機能に影響を与える可能性があります。代替Approachは代謝率20に影響を与えない窒素麻酔を使用することです。
燃料の酸化および代謝率のような複雑なシステムを測定する任意の技術と同様に、ここで説明した方法には限界があります。まず、基板の異なる出発量の分析のCO 2回収段階に入るであろう、従って、放射性標識、食品の様々な量を消費することができ、異なるグループに飛んでいる可能性があります。これは、大きなサンプルサイズとし、一括ハエを供給することにより、実験を行うことにより、ある程度のために制御することができます。短い標識期間については、同様の青色の根性が放射性標識を消費しているだろうし、実験のチェース部に繰り越すことができて飛びます。ハエのグループ内に残っている放射性標識の量はまた、実験の終了時および摂食初期追跡期間の終了後にハエの別々のコホートにおいて測定することができます。間の第2、活動レベルフライポッド内のハエのグループが異なる場合があります。これは、実験的に決定し、データを解釈するときに考慮されなければなりません。第三に、この技術は、特定の食物栄養またはその栄養素の貯蔵形態(複数可)からのみの生産を合計CO 2産生を測定しません。このプロトコルはに代わるものではありませんが、代わりに、それは別の、追加情報を提供するため、VCO 2の測定に相補的です。
方法ここに記載されている対策は、特定の代謝基質の微量の酸化物である放射性標識されたCO 2を吐き出さ。グルコース、脂肪酸、またはアミノ酸 – – 使用されるラベルを変えることによって一つは、飢餓などの異なる生理的条件下で、異なる遺伝的背景の代謝に異なる基質の寄与を評価するために、ますます洗練された実験を設計することができます。この技術の将来のアプリケーションは、metabolisの測定を含みます開発の幼虫と蛹の段階、それぞれの栄養貯蔵及び故障、極端なことを特徴とするショウジョウバエのライフサイクルの2段階でメートル。
The authors have nothing to disclose.
The author thanks Drs. Mingjian Lu and Morris Birnbaum for helpful advice and funding support from NIDDK (R21DK089391).
PALMITIC ACID, [1-14C]-, 50 µCi | PerkinElmer | NEC075H050UC | |
GLUCOSE, D-[6-14C]-, 50µCi | PerkinElmer | NEC045X050UC | |
Glucose, D-[1-14C]-, 50µCi | PerkinElmer | NEC043X050UC | |
Drosophila Vials, Narrow, Polystyrene | Genesee Scientific | 32-116 | |
Round-Bottom Polypropylene Tubes, 12X75 mm | Fisher Scientific | 14-959AA | |
Mesh, nitex nylon, 120 µm | Genesee Scientific | 57-102 | |
20ml borosilicate glass scintillation vials | Fisher Scientific | 03-337-15 | |
Flask top stopper with off-center hole | Fisher Scientific | K882310-0000 | |
Polypropylene center well | Fisher Scientific | K882320-0000 | |
Whatman GF/B glass microfiber filter paper, circle, 2.1cm diameter | 09-874-20 | ||
Ecoscint A | National Diagnostics | LS-273 | |
6ml Scintillation Vials with Push-On/Twist-Off Caps | National Diagnostics | SVC-06 |