Идентифицированы гены и центры мозга, регулирующие размер порции у мух
Биологи из Калифорнийского технологического института и Йельского университета идентифицировали два гена — нейропептид лейкокинин и его рецептор, — которые, по-видимому, регулируют размер и частоту приёмов пищи у плодовых мушек (Drosophila melanogaster). Оба гена имеют аналоги у млекопитающих, играющие схожую роль в контроле потребления пищи. Это указывает, что механизмы, контролирующие размер и частоту приёма пищи, не только поведенчески сходны, но и регулируются одними и теми же генами во всём животном мире.
Исследование будет опубликовано 8 июня в журнале Current Biology.
У животных потребление пищи регулируется для поддержания постоянного веса тела в долгосрочной перспективе. Большинство животных потребляют пищу дискретными порциями — то есть, отдельными приёмами. «Идентификация генов и молекул, регулирующих параметры, связанные с приёмом пищи, необходима для понимания взаимосвязи между массой тела и калорийностью рациона», — говорит Бадер Аль-Анзи, ведущий автор исследования.
У голодных животных размер и частота приёма пищи регулируются в три фазы:
- Запуск: запах и вкус пищи инициируют кормление.
- Поддержание: после начала приёма пищи другие факторы обеспечивают продолжение кормления в течение определённого времени.
- Прекращение: приём пищи прекращается, обычно когда степень растяжения желудка превышает заданный порог.
Эти три фазы наблюдаются у животных от млекопитающих до насекомых. Однако было неизвестно, отражают ли поведенческие сходства эволюционно консервативный процесс, использующий схожие гены и молекулы у разных видов.
Эксперимент на мухах
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи разработали тест для изучения пищевого поведения у плодовых мух. Голодных в течение суток нормальных мух помещали в пробирку с сахарной пищей, смешанной с красным пищевым красителем. Насытившись, мухи приобретали красный цвет в брюшке.
Затем эксперимент повторили на мутантных линиях мух. Надежда была в том, что мухи с мутациями в генах, регулирующих приём пищи, будут есть избыточное количество окрашенной пищи, что сделает их раздутыми и ярко-красными.
Ключевые гены-мутанты
Две мутантные линии дали заметный результат:
- Мутация в гене нейропептида лейкокинина (пептида, изначально идентифицированного по способности вызывать сокращение кишечника у насекомых).
- Мутация в гене рецептора лейкокинина.
Мутанты обоих типов ели так много, что их зобы (органы хранения пищи) растягивались до предела, заполняясь окрашенной пищей.
Парадокс: несмотря на переедание в краткосрочной перспективе, в долгосрочной перспективе мутанты потребляли примерно столько же пищи, сколько и нормальные мухи. Они компенсировали увеличение размера порции снижением частоты приёмов пищи:
- Мутанты: 4–5 больших приёмов пищи в день.
- Нормальные мухи: 7–8 небольших приёмов пищи.
Локализация и функция
Дополнительные эксперименты показали:
- Нейропептид лейкокинин находится исключительно в мозге.
- Рецептор лейкокинина находится в нейронах как мозга, так и передней кишки — области, содержащей растягивающие рецепторы, которые, как известно, отвечают за мониторинг размера порции у насекомых.
- Введение нормальной копии гена лейкокинина или его рецептора в соответствующие нейроны мутантных мух полностью восстанавливало нормальное пищевое поведение.
- Уничтожение этих же нейронов у нормальных, немутантных мух заставляло их потреблять аномально большие порции, как у мутантов.
«Это доказывает, что мы идентифицировали правильные гены, ответственные за "обжорство" мух, а также центр мозга мухи, который регулирует размер и частоту приёма пищи», — заключает Аль-Анзи.
Механизм и эволюционная консервативность
У нормальных мух растягивающие рецепторы сигнализируют мозгу, когда кишечник наполнен, и пора прекращать есть. У мух с неисправным лейкокининовым сигнальным путём (из-за мутаций или разрушения соответствующих нейронов) этот сигнал «пора остановиться» не передаётся правильно, и мухи, не осознавая сытости, продолжают есть.
Лейкокинин и его рецептор гомологичны тахикининам — генам сигнального пути позвоночных, которые, как известно, вызывают снижение потребления пищи при введении в мозг. Более того, некоторые гены пути тахикининов экспрессируются вблизи или внутри центров мозга млекопитающих, регулирующих массу тела и потребление пищи, включая дугообразное ядро.
Наблюдение, что тахикинин мухи играет схожую роль в регуляции приёма пищи, указывает на эволюционно консервативную роль этой сигнальной системы в контроле пищевого поведения.
«Несмотря на различие в строении тела, функции многих генов консервативны во всём животном царстве — включая скромную плодовую мушку», — говорит Аль-Анзи. «Если мы знаем, что делает данный ген у мухи, вероятно, его аналог у человека будет играть схожую роль. Однако я всё же был удивлён, что эта консервативность распространяется даже на поведенческие феномены, такие как регуляция размера порции».
Плодовая мушка — мощный модельный организм для изучения генетической основы многих биологических явлений. Эволюционно консервативная роль пути лейкокинина в регуляции размера порции указывает, что в вопросах потребления пищи мы можем и дальше использовать генетические возможности Drosophila для понимания молекулярной основы регуляции пищевого поведения у человека.