特定氨基酸对黑腹果蝇代谢的影响

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氨基酸是一类重要的营养代谢物质,与众多疾病密切相关。近年来,大量研究显示不同氨基酸对于特定的细胞和生物过程有特异的调控作用,因而深入理解生物体对于不同氨基酸的感知、代谢以及响应,不仅有助于深入理解代谢过程,更对于未来进行精确的代谢调节,进而预防和治疗人类疾病具有重要意义。黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)作为生物医学研究中一种重要的模式生物,因其与哺乳动物具有相似的生理过程和细胞响应,且易于进行精准饮食控制和遗传操作,逐渐成为解析疾病、行为、营养和代谢分子和细胞机制的重要研究模型。为了研究特定氨基酸在摄食调控、营养感知、以及发育和代谢方面的作用,深入理解内在的分子机制,本文测定了果蝇对20种氨基酸的饮食偏好性及摄取量,检测了氨基酸对果蝇运动水平的影响,并以苏氨酸为研究对象,选取果蝇三龄幼虫分别进行4种不同饮食条件处理(饥饿、喂食苏氨酸、蔗糖及苏氨酸与蔗糖混合物),进行高通量转录组测序(RNA-seq),对比组间差异表达基因并进行分析,之后通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术鉴定了目标基因。通过对果蝇饮食偏好、摄食量以及运动水平的测定,我们发现雌性果蝇对氨基酸的响应更加敏感。通过对组间差异基因进行GO(Gene Ontology)富集分析,我们发现差异基因较多富集在氨基酸代谢、脂质代谢、碳水化合物代谢,以及神经信号转导功能中。这些差异基因也显著富集在果蝇类固醇生物合成、蜕皮类固醇代谢、身体形态发育、胚胎细胞形态调控等相关功能中,表明苏氨酸在果蝇幼虫代谢和发育中产生影响。GO富集结果也显示苏氨酸可能具有调节铁离子运输以及胞内氧化还原反应的能力。差异基因在KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)中的注释也显著富集在代谢相关的途径中,包括甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸等氨基酸代谢途径,甘油脂类代谢途径,脂肪酸降解以及一些多聚糖降解途径。除此之外,差异基因在皮质醇与醛固酮的合成分泌、类固醇激素的合成途径中显著富集,表明苏氨酸可能与内分泌疾病有密切联系。通过 RNA-seq 和 RT-qPCR 实验,我们筛选了 Ap14、CG10814、CG11842、CG14089、Prx2540-1、CG42815、CG32071、CG3312 作为后续研究的目标基因,同时通过对比成虫和幼虫,发现果蝇成虫和幼虫对于苏氨酸的响应具有较大差异。其中CG42815与CG32071基因在果蝇幼虫中高度表达,但在成年果蝇中却难以检测。CG32071基因集中表达在果蝇幼虫脂肪体中,暗示这一基因可能具有重要营养感知功能。总之,我们的工作表明果蝇对于不同氨基酸可以产生不同的感受和响应,尤其是苏氨酸对于果蝇的运动和幼虫代谢都具有特殊的影响。本工作为进一步深入研究特定氨基酸在动物中的感知和代谢调节提供了研究的基础,并为揭示其具体机制提供了基因表达调控上的线索。
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