Wat het koude-resistent maken van fruitvliegen kan vertellen over het menselijk aanpassingsvermogen
Mensen overleven en gedijen in extreme klimaten zoals dat van de Arctische regio, waar temperaturen heersen die kouder zijn dan de standaard diepvries. Ondertussen is er al heel wat gekend over hoe het menselijk lichaam reageert en adapteert aan extreme, chronische koude, maar minder over welke genetische aanpassingen daarbij een rol spelen. Een voorgaande studie identificeerde 756 genen die mogelijks evolutionair geselecteerd werden in Siberische populaties. Enkel ontbreekt nu nog informatie over hoe deze genen een voordeel bieden tijdens koude blootstelling. Gebruikmakende van de fruitvlieg als modelorganisme probeerde mijn thesis hierin te voorzien.
Waarom fruitvliegen o-zo fascinerend zijn
Ook al lijkt de mens in de verste verte niet op een fruitvlieg, toch is Drosophila melanogaster tot nu toe een heel instrumenteel organisme geweest in het ophelderen van verschillende biologische mechanismes, en ze blijft verrassen. De fruitvlieg heeft veel voordelen, zoals de uitgebreide mogelijkheden binnen het onderzoeksdomein van genetica, terwijl het maar tien dagen duurt tot een nieuwe generatie zich ontwikkelt. Hierdoor is het modelorganisme uitermate voordelig om meerdere genen te screenen in een relatief beperkte tijd.
Toch was er onvoldoende tijd om alle 756 genen onder de loep te nemen, waardoor een selectie nodig was. De genen werden gecategoriseerd op basis van hun expressie in de menselijke lever, aangezien studies gericht op vetmetabolisme aantonen dat de lever een belangrijke rol speelt tijdens koude blootstelling. De lijst aan gerangschikte genen werd omgezet naar fruitvlieggenen met een gelijkaardige functie, waarvan de top 21 representatieve kandidaatgenen werden geselecteerd.
Een exacte kopie van een zoogdierlever heeft een fruitvlieg niet, maar er is wel een insect-specifiek orgaan aanwezig dat gelijkaardige functies uitvoert, namelijk het vetlichaam. Aangezien de kandidaat genen werden gesorteerd op leverexpressie, werd een systeem geïmplementeerd dat enkel in het vetlichaam de expressie van elk gen afzonderlijk verlaagd.
Maar hoe kan een fruitvlieg aangeven dat hij het echt, echt, echt koud heeft?
Vogels en zoogdieren zijn in staat om via allerlei mechanismes een stabiele lichaamstemperatuur te behouden in eender welk klimaat. In tegenstelling produceert het metabolisme van een fruitvlieg niet genoeg warmte, waardoor hun lichaamstemperatuur sterk beïnvloedt wordt door de omgeving. Ook al past het metabolisme zich aan, toch is er een bepaalde temperatuurgrens dat zorgt voor een reversibele verlamming in de fruitvlieg, waarvan het nog niet volledig duidelijk is hoe deze verlamming ontstaat of terug verdwijnt boven deze temperatuurgrens. De tijd nodig om dit fenomeen te induceren en om ervan te herstellen werd gebruikt om te bepalen of het functioneel uitschakelen van bepaalde genen in het vetlichaam zorgt voor meer of net minder koude resistentie.
Herstel van een drie uur-durende koude blootstelling zorgde in heel wat experimentele lijnen voor significante veranderingen in zowel mannelijke als vrouwelijke vliegen ten opzichte van de genetische controle. Het verlagen van de expressie van maar één gen zorgde voor een versneld herstel, terwijl de andere significante veranderingen veroorzaakt werden door een vertraagd herstel van de experimentele conditie (E), waarin het gen werd uitgeschakeld, ten opzichte van de controle (C), zoals te zien in de figuur.
De mens ervaart geen herstel van reversibele verlamming wanneer het aan extreem koude temperaturen wordt blootgesteld, waardoor het extrapoleren van het belang van deze genen ingewikkeld wordt. Daarom heb ik een nieuwe gedragsstudie ontwikkelt dat toelaat te meten of er verschillen zijn in de tijd nodig om deze reversibele verlamming te induceren. Het functioneel uitschakelen van een aantal genen in het vetlichaam zorgde ook in deze gedragsstudie voor significante veranderingen ten opzichte van de genetische controle.
Deze resultaten tonen voor het eerst aan dat het uitschakelen van bepaalde genen enkel in het vetlichaam kan zorgen voor significante veranderingen in de koude stress responsen van een fruitvlieg. Daarnaast laten deze resultaten vermoeden dat er een verschillende genetische bijdrage is in het mechanisme van inductie t.o.v. herstel, aangezien sommige genen enkel significant zijn in één van de twee gedragsstudies.
Misschien zit het geheim van koude-resistentie in een extra laagje vet
Om een verklaring te bieden aan de veranderingen in koude stress responsen werd nagegaan of deze experimentele lijnen extra vetreserves hebben in het vetlichaam. En wat blijkt, sommige experimentele lijnen hadden effectief een verhoogde vetreserve t.o.v. de genetische controle. Maar in tegenstelling tot de verwachting dat extra vet bescherming biedt, ging deze verhoogde concentratie net gepaard met een vertraagd koude-geïnduceerd herstel. Daarnaast had niet elke experimentele lijn dat een vertraagd herstel vertoonde een verhoogd vetreserve, waardoor eventuele aanpassingen in vetmetabolisme momenteel geen directe verklaring kunnen bieden.
Het vetlichaam is niet enkel het centrale orgaan in het vetmetabolisme, maar het regelt ook het glucosemetabolisme van de vlieg. Voorgaand onderzoek toont aan dat een tamelijk aandeel van de kandidaatgenen in dit project gelinkt zijn aan de vele werkingsmechanismes van insuline, ook wel genaamd de “insulin signalling pathway”, en de transcriptiefactor “dFOXO”, dat onderdelen van de insulin signalling pathway activeert. Onderzoek in het fruitvliegmetabolisme toont aan dat glucose de belangrijkste energiebron is tijdens warmteproductie, maar ook een verhoogde glucoseopname werd opgemerkt in bruin vetweefsel wanneer het menselijk lichaam wordt blootgesteld aan koude.
Deze bevindingen lijken er op te wijzen dat er mogelijks conservatie is van principiële mechanismes tussen ectotherme organismen, die hun lichaamstemperatuur niet zelf kunnen regelen, en endotherme organismen, die een stabiele lichaamstemperatuur hebben, waardoor het gebruik van Drosophila melanogaster als modelorganisme terecht is in deze onderzoeksvraag. Daarnaast bieden de eerder vastgestelde associaties met het glucosemetabolisme een mogelijke verklaring waarom deze genen veranderingen konden veroorzaken in de koude stress responsen.
Koude-adaptatie: van mens tot fruitvlieg
Het resistenter maken van een fruitvlieg is niet waar de meeste mensen op zitten te wachten. Toch tonen deze resultaten aan dat genen die belangrijk lijken te zijn in het menselijk aanpassingsvermogen aan koude ook een mogelijke rol hebben in de koude fysiologie van Drosophila melanogaster. Dit project toont aan dat door middel van de fruitvlieg er inzicht verkregen kan worden in het complexe samenspel van fundamentele mechanismes die de mens hielpen overleven in extreme klimaten.
Bibliografie
Throughout evolution, humans have adapted to extreme environments, including the harsh climate of the Arctic region. During chronic cold exposure, activation of brown adipose tissue is essential to elevate the metabolic rate and sustain heat production. Moreover, observational studies report significantly reduced serum lipid levels in indigenous populations of the Arctic region, suggesting a hepatic contribution to chronic cold adaptation. Animal research supports this association, revealing substantial cold-induced shifts in hepatic lipid metabolism.
Whole genome sequencing of Siberian individuals previously identified 756 protein coding genes in regions presenting evolutionary selection. This project investigated the functional role of a prioritized subset of these genes in cold adaptation by studying their homologues in an in vivo Drosophila melanogaster model. Candidate genes were selected using the criteria of most significant p-value in Siberian populations, non-significance in reference populations, elevated liver expression, and a representative Drosophila melanogaster homologue. The top 20 candidate genes were chosen, supplemented by the known cold responsive TRP channel inactive. A targeted knockdown of the genes of interest was induced in the fat body with the GAL4/UAS system and validated by RT-qPCR.
Most gene of interest knockdowns proved to be associated to cold stress responses via two behavioural assays targeting chill coma induction and recovery. The vast majority of gene knockdowns induced a chill coma recovery delay, while several RNAi genotypes had modified chill coma susceptibility. Moreover, lipid quantification of the abdominal fat body revealed an increased lipid storage in numerous knockdown genotypes. In addition to the novel chill coma susceptibility assay in adult flies, a novel behavioural assay in third instar wandering larvae was designed to assess locomotion recovery following cold exposure. Both assays enable more in-depth research regarding potential cold stress response alterations.
Overall, we have shown that several genes of interest, first identified in cold adapted human populations, influence cold stress responses and lipid storage when silenced in the Drosophila melanogaster fat body, indicating potential conserved mechanisms of metabolic cold adaptation across species.
