ここでは、遺伝子発現および寿命に関連して広範な範囲の食餌療法の制限するためのフレームワークを提案する.広い範囲の食餌療法の制限のため、このパラダイムの下での遺伝子発現の定量的影像化のためのプロトコルについて述べる。我々 はさらに食品センシングに関わる遺伝的回路の情報処理機能の基になるを明らかにする計算解析を概説します。
感覚系は、検出、処理、およびその環境に対応する動物を許可します。豊富な食品は動物生理・行動に大きな影響を持つ環境のキューです。最近では、食料豊富で線虫線虫の寿命の変調はより複雑な以前は認識を示した。食品レベルの変化に寿命の応答性は、神経回路内の情報処理を制御することによって動作する特定の遺伝子によって決定されます。体制は、遺伝学的解析、ハイスループット定量イメージングおよび情報理論を組み合わせたものです。ここでは、我々 は食餌療法の制限の広い範囲に生理学的な関連性のある遺伝子を特徴付けるためのこれらのテクニックの使用方法について説明します。具体的には、このワークフローは興味の遺伝子が広い範囲の食餌療法の制限の下での寿命を調節する方法を明らかにするためです。その後、遺伝子の発現が食品レベルによってどのように変化するかを確立するにはそして最後に、食品環境の豊かさについて遺伝子発現によって伝えられる情報量の定量化と公平を提供します。いくつかの遺伝子は神経回路のコンテキストで同時に調べたところ、このワークフローは回路で採用されているコーディング戦略を検出できます。
すべての生物は、感知し、彼らの生存を確保するため環境の変化に対応することができる必要があります。動物では、神経系は主な検出器と環境に関する情報のトランスデューサーし生物の生存1に影響を与える可能性があります変更する生理学的応答を調整します。豊富な食品は、環境的には複数のコンテキストでよく研究採餌2などの食品関連の動作を制御するだけでなく、動物の寿命にも影響します。食品豊富に変更による寿命の変調食餌療法の制限 (DR) と呼ばれる現象で、広範な進化的保存3。
線虫の線虫は、生物の基本的な質問に対処するため強力なモデル システムです。RNAi とin vivo遺伝子編集のテクニックなど、ワームのゲノムの操作を可能にする技術の茄多が開発されています。ワームとその光透過性の小さな物理サイズも両方の転写と並進蛍光レポーターの生体内イメージングとマイクロ4などの高速技術の有用性に自分自身を貸します。一緒に、これらのツールがどのように神経回路直接動物の動作を調べるに活きます。
線虫 c. エレガンスbacterivore、細菌濃度5,6,7,8 を操作することによって豊富な食品の正確な制御を可能にするいくつかの方法が公開されています。.線虫研究コミュニティの中で博士は、2 つの異なるコンテキストで研究されています。それは他の有機体で食品レベルの高いレスポンスで見られる変化をミラー、最初に ‘古典的な DR’ を呼ぶことができます。このコンテキストで広告自由のレベルから食べ物豊富を減少、までの最適条件に達すると、このポイントの長寿食品6,7、さらなる削減と減少した後増加寿命の結果します。 9。DR は、線虫の研究されている 2 番目のコンテキストは、ワームの寿命を増加して、細菌食品ソース10,11の完全な除去して栄養不足です。これらの 2 つの異なるパラダイムに起因する DR の複雑さを調べることができますを示した Entchev ら (2015) で12、同時にコンテキストで ‘広い範囲 DR’ と呼びます。以下のプロトコルを使用して、我々 は遺伝子の新しいクラスを識別 DR に関与する双方向食品豊富に寿命応答を調節して食品12 (図 1) を感覚神経回路に関与しています。
環境の変化への動物の応答を統合生理学環境情報を伝える複雑な規制の相互作用に感覚のシステムをリンクする生物学的プロセスのシーケンス。このような「情報の流れ」機構詳細はよく知られているが、遺伝学的ツールはさまざまな生物学的コンポーネント間で複雑な計算を編成する方法への洞察力を取得する使用できます。Daf-7 tph 1がc. の elegans12で寿命を調節する食品検知の神経回路を通して食べ物、豊かなに関する環境情報の伝送にかかわることを示した私たちの最近の作品,1314情報理論の数理的枠組を適用すると、 daf 7との遺伝子発現変動によって表されるビットの面での環境情報の量を定量化することができました 1 tph。異なる食品レベルにわたって特定のニューロン。これからができましたし、エンコードの戦略この神経回路とそれを制御する遺伝的方法で採用されている (図 2) を明らかにすること。
次のプロトコルでは、特定のニューロンで表現される興味のある遺伝子の影響とどのように彼らが食品情報の流れ寿命環境から参加を理解するための手順の概要を説明します。一般的に言えば、2 つ実験的プロトコルおよび計算ワークフロー体制に分割されます。実験的側面の変異を持つことが重要です広い範囲の下で検査することができます興味のある遺伝子の博士の忠実な転写記者がさまざまな食品のレベルで遺伝子の発現レベルを定量化する必要も。本手法で説明した計算の分析を実施することができる、データセット式分布の意味のある見積もりを提供する十分な大きさにする必要があります。にもかかわらず、解析のテンプレート ソース コードを提供する、ユーザーは、計算体制全体で広く使用する情報理論の言語に精通している必要があります。ソース コードは、R および C++ で書かれています。したがって、ある程度のプログラミング能力も有意義な方法でそれらを適用する必要です。
ここでは、食事制限以前に公開されたプロトコルよりも食品の濃度のはるかに広い範囲をカプセル化するための新しい方法を提案する.このメソッドはc. の elegans博士文学に見られる 2 つの別々 であった現象をリンク、細菌の剥奪とする両方の栄養効果を許可する古典的な食餌療法の制限 1 つのプロトコルを検討しました。広い範囲 DR パラダイムを使用すると、特定環境のキューに対して単一細胞遺伝子発現を調べることと、この細胞が情報をエンコードする方法を決定するための一般的なフレームワークを提案する.我々 のフレームワークは、それぞれ寿命と定量的イメージングを実行する方法を示す 2 つの実験的プロトコルの広い範囲の下でこれらの実験のプロトコルから博士データで提供されている計算解析で調べて、このフレームワーク条件が異なる食品遺伝子の発現量や寿命の変化によってコード化された情報を定量化します。
広い範囲 DR パラダイムを用いた寿命実験を含む六つの異なる食品レベル (表 1)。これは食物剥奪10,11などの少ない食品レベルで寿命を調べることや、食べる 2遺伝的背景35を使用してよりもより労働集約的なアプローチを必要とします。ただし、1 つの条件の下での寿命で調べて DR の遺伝子の役割の解釈を制限できます。たとえば、我々 は最近、12 (図 1 a) 野生型動物に比べて食品の濃度への応答の双方向の減衰があるdaf 7変異を示した。食品がない場合は、 daf 7変異株は野生型動物と比較して、寿命の短縮を表示します。場合我々 はのみ食餌剥奪を検討していたと解釈しているが実はdaf 7の役割がより複雑な場合のみ寿命延長,のため必要なものとしてdaf 7遺伝子。したがって、プロトコルのこの部分の重要な結果は興味の遺伝子かどうかを確立する食品豊富に変化に対する寿命の全体的な応答を調節に関与しています。
他の方法と比較してこのプロトコルの主要な利点の 1 つは、寿命分析を受けている動物の子孫の生産を除去するために手法を使用することです。ほとんどの研究は、滅菌のレンダリングに大人の生殖細胞系列の増殖を抑制するのに薬物 FuDR を使用します。しかし、最近の研究は、FuDR 治療が寿命17,18,19,20,21, への呼び出しに条件と遺伝子特定結果を示しています。汎用性に質問します。このプロトコルで無くすための子孫のを通じたは 24 h RNAi のキチン卵殻の形成を阻害する卵 5遺伝子をターゲットと動物の治療受精線虫卵母細胞の結果、死22,23。この方法の利点は、それは非常に遅い演技線虫の寿命の主要な調節因子である生殖細胞系列に干渉しないので。
広い範囲 DR プロトコルの 1 つの潜在的な注意点は、細菌濃度の厳格な管理を確保するための細菌の増殖を抑える抗生物質の使用に依存です。ワームの腸内細菌の増殖はc. の elegans16の死の主要な原因として知られています。したがって、NGM 寒天培地での carbenicillin などの静菌性の抗生物質の使用は細菌の増殖を防ぐことができます、非抗生物質コントロール16と比較してワームの寿命を増加させます。細菌への影響とは関係なく線虫の寿命を延ばす抗生物質リファンピシン36およびテトラサイクリン家族37,38, のメンバーなどの特定の種類が示されています。増殖。ただし、carbenicillin またはストレプトマイシンが細菌増殖への影響とは関係なく長寿を高めることができる文献の証拠はないです。
寿命は環境については、神経回路網の遺伝子発現によるルーティング、生理学から送信する複雑な計算の出力として見なすことができます。私たちプロトコルがどのように特定の遺伝子を理解する方法論を提供しますこの環境情報の流れに影響を与えます。この問題に対処する信頼性の高い画像処理を単一細胞レベルでの遺伝子発現応答の分布を決定する必要があります。見積もることができる平均応答遺伝子の発現の変化食品の豊富なだけでなく、また大規模な集団から完全に統計的分布、本手法の適用性のための重要な要件を表します。食品豊富に遺伝子発現応答の正確な説明では、神経回路で採用されているコーディングの作戦と同様、特定のニューロンで符号化される情報を定量化する情報理論の適用ことができます。
このプロトコルで説明されているメソッドのイメージングおよび計算の側面は、生物学的文脈のより大きいセットに適用されます。私たちの仕事ではセンシング, しかし、情報処理機能の解析に限定されない特定のセルタイプまたは特定の環境手がかり小規模ニューラル ネットの食品に関与に着目。将来は、これらの方法論は多様な入力変数は、任意の生理学的な出力に影響する可能性のある拡張できます。これらのアプローチは遺伝子調節ネットワークがどのようにエンコードするか、プロセスのより良い理解に貢献し、情報を発信します。
The authors have nothing to disclose.
試薬の Bargmann とホロビッツの実習に感謝いたします。いくつかの系統は、CGC、研究インフラ プログラム (P40 OD010440) の NIH のオフィスによって資金が供給されるによって提供されました。我々 はまた原稿のコメントを M. 交響楽団をありがちましょう。この研究は、Wellcome の信頼 (Q.C. にプロジェクト助成金 087146)、BBSRC (BB/H020500/1 と Q.C. に BB/M00757X/1)、欧州研究評議会 (Q.C. に NeuroAge 242666)、米国国立衛生研究所 (R01AG035317、HL を R01GM088333) および米国によって支えられました。全米科学財団 (HL、M.Z. を 0946809 GRFP を 0954578)。
Carbenicillin di-Sodium salt | Sigma-Aldrich | C1389-5G | Antibiotic |
Streptomycin Sulphate salt | Sigma-Aldrich | S6501-50G | Antibiotic |
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Sigma-Aldrich | I6758-10G | Inducer for RNAi plates |
Sodium Chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | 71380-1KG-M | Used in S basal, and NGM agar |
di-Potassium Hydrogen Phosphate(K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 1.05104.1000 | Used in S basal, and NGM agar |
Potassium di-Hydrogen Phosphate (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P9791-1KG | Used in S basal, and NGM agar |
Magnesium Sulphate (MgSO4) | Sigma-Aldrich | M2643-1KG | Used in NGM agar |
Calcium Chloride (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C5670-500G | Used in NGM agar |
Sodium Hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | 71687-500G | Used for bleaching |
Pluronic-F127 | Sigma-Aldrich | P2443-1KG | Used in imaging |
Sodium Hypochlorite (NaClO) | Sigma-Aldrich | 1.05614.2500 | Used for bleaching |
LB Broth | Invitrogen | 12780052 | Used to grow bacteria |
Adavanced TC 6 cm Tissue Culture plates | Greiner Bio-One | 628960 | Plates for lifespan |
CellStar 10cm Tissue Culture plates | Greiner Bio-One | 664160 | Plates for imaging |
Low Retention P200 tips | Brandt | 732832 | Tips for handling worms in liquid |
Agar | BD | 214510 | Agar for NGM, RNAi and NSC plates |
Bacto-peptone | BD | 211820 | Peptone for NGM, RNAi and NSC plates |