Почему голодную дрозофилу привлекает шоколад?

Достаточное потребление незаменимых аминокислот необходимо для синтеза белка и поддержания метаболизма. Плодовая мушка Drosophila melanogaster сильно реагирует на их дефицит в рационе — при недостатке хотя бы одной незаменимой аминокислоты дрозофилы предпочитают богатую белком пищу, например, дрожжи. Однако как физиологическая потребность превращается в поведенческие предпочтения? 

Авторы статьи в Current Biology предположили, что изменения в поведении могут контролироваться на транскриптомном уровне. Они провели секвенирование РНК голов плодовых мушек, чтобы проанализировать изменения в их мозге, органах чувств и жировом теле — ключевом метаболическом органе. Транскриптомы мушек, в пище которых недоставало одной из незаменимых аминокислот, стабильно отличались от контрольных, получавших полноценное питание. При этом дефицит каждой отдельной кислоты вызывал уникальные изменения транскриптома. 

Авторы задались вопросом, как изменения экспрессии, индуцированные дефицитом аминокислоты, коррелируют с силой мотивации питаться дрожжами. Проведя анализ дифференциальной экспрессии, они пришли к выводу, что количество меняющихся генов не связано с поведением само по себе, следовательно, оно контролируется изменениями экспрессии конкретных генов. 

Всего авторы выявили 118 генов, экспрессия которых устойчиво менялась при дефиците какой-либо незаменимой аминокислоты. Одна из категорий генов, экспрессия которых возрастала стабильнее всего, относилась к сигналингу. В ней ученые выделили два гена — Ir76a и Or92a — которые кодируют обонятельные рецепторы. В отличие от всех остальных обонятельных рецепторов, их экспрессия возрастала в ответ на недостаток любой из незаменимых аминокислот. 

Функциональную значимость изменения экспрессии обонятельных рецепторов исследователи оценили в поведенческом тесте. Мушек запускали на арену, содержащую приманки с дрожжами или сахарозой, и отслеживали, насколько тщательно они ищут эти приманки и какие именно предпочитают. Как и ожидалось, дрозофилы с дефицитом аминокислот проводили дольше времени, питаясь дрожжами. 

Чтобы подтвердить специфическую роль рецептора Or92a в этом контексте, ученые провели нокдаун его гена. Тяга дрозофил к дрожжам действительно снижалась, даже если мушки испытывали недостаток незаменимых аминокислот, причем сокращалось именно проводимое за питанием дрожжами время, а не частота контактов с приманкой.  

Сенсиллы, экспрессирующие Or92a, участвуют в распознавании диацетила, образующегося в ходе ферментации. Исследователи сравнили, как дрозофилы реагируют на контрольные дрожжи и дрожжи с нарушенной продукцией этого соединения. Мушки действительно предпочитали дрожжи дикого типа, а не с мутацией фермента синтеза диацетила.
Другим геном обонятельного рецептора, который стабильно модулировался всеми видами дефицита незаменимых аминокислот, был Ir76a. Этот рецептор реагирует на фенилэтиламин (PEA) — известный побочный продукт ферментации, содержащийся, например, в сыре и какао. Авторы измерили кальциевую активность гломерулярных Ir76a⁺ нейронов дрозофилы, испытывавшей недостаток аминокислот, в ответ на эти продукты. Нейроны действительно активировались запахом ферментированных какао-бобов. 

Ферментация какао, на которую реагировали Ir76a⁺ нейроны, связана с бактериями из семейств Lactobacillaceae и Acetobacteraceae — основных представителей микробиома мух. Авторы подтвердили, что Ir76a играет роль также в привлечении мух к кишечным бактериям, причем этот эффект модулируется депривацией незаменимых аминокислот.

Исследование подтверждает модель, согласно которой животные, испытывающие дефицит незаменимых аминокислот, активнее потребляют полезные кишечные бактерии, которые, как было показано ранее, благотворно влияют на них при недостатке белка. Оно также объясняет, каким образом неудовлетворенная физиологическая потребность — дефицит аминокислот в пище — управляет поведением через транскриптом нейронов, чтобы временно изменить пищевые предпочтения и за счет этого получить нужные нутриенты. 

В переедании вкусной пищи «виноват» дофаминовый контур, начинающийся в голубом пятне