The impact of oocyte quality on animal nutrient appetites

Nóbrega, Raquel Rebocho

http://hdl.handle.net/10400.5/97270

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Authors

Nóbrega, Raquel Rebocho

Advisor(s)

Santos, Zita Carvalho

Gontijo, Alisson

Abstract(s)

O papel da dieta em processos fisiológicos, como a longevidade e a fertilidade, é bem substanciado. Este papel é determinado não apenas pelo tipo e quantidade de nutrientes, mas também pelo equilíbrio entre eles. Utilizando vários organismos modelo, como murganhos e moscas da fruta (Drosophila Melanogaster), as primeiras evidências apontavam para que a fertilidade e a longevidade fossem otimizadas em diferentes proporções de proteínas/hidratos de carbono. Enquanto uma dieta rica em proteínas favorece a produção de ovos, uma dieta rica em hidratos de carbono maximiza a longevidade. No entanto, descobertas recentes sugerem que é possível otimizar ambas as características simultaneamente, destacando a complexidade entre dieta e processos fisiológicos. A fertilidade tornou se um paradigma intrigante para estudar a nutrição, pois depende fortemente do ambiente nutricional materno. Em D. melanogaster, a fertilidade abrange dois aspetos principais: o número de ovos produzidos e a viabilidade desses ovos, ou seja, a capacidade de se desenvolverem em adultos viáveis. A necessidade de nutrientes para manter a produção de ovos é evidente; por exemplo, remover sacarose ou aminoácidos da dieta das mães leva a uma diminuição significativa do número de ovos que produzem. No entanto, o impacto dos nutrientes da dieta das mães na viabilidade dos ovos é frequentemente negligenciado. Os animais são constituídos por vários órgãos com tecidos diversos, cada um com requisitos celulares distintos. Coordenar esses requisitos ao nível do organismo é um desafio significativo. Os organismos multicelulares utilizam extensas redes de comunicação para facilitar a interação entre órgãos. Moléculas sinalizadoras transmitem informações sobre o estado atual dos tecidos, permitindo que o organismo mantenha a função ótima dos órgãos. A nutrição não é exceção, sendo que os animais regulam a ingestão de alimentos de acordo com os estados fisiológicos. D. melanogaster, por exemplo, aumenta o seu apetite por alimentos ricos em açúcar quando fornecidas com uma dieta sem sacarose e, de forma semelhante, aumenta o apetite por alimentos ricos em proteínas quando os aminoácidos são removidos da dieta. Dados gerados recentemente pelo nosso laboratório revelaram evidências de que a fisiologia do ovário modula o apetite. Especificamente, uma ablação completa da linha germinal, resultando num bloqueio completo da produção de ovos, leva a uma diminuição do apetite por levedura. Além disso, knockdowns de vários genes na linhagem germinal mostraram um aumento no consumo de levedura. Curiosamente, todos esses knockdowns estavam associados a letalidade dos ovos. Estes resultados são fascinantes, pois sugerem que afetar o sistema reprodutivo é suficiente para induzir um efeito ao nível do organismo inteiro, modulando o comportamento. Isto sugere que certos aspetos da fisiologia do ovário podem ser monitorizados e transmitidos, direta ou indiretamente, ao sistema nervoso central. Assim, a nossa hipótese inicial era que as fêmeas possuem mecanismos que detetam a qualidade dos oócitos e transmitem essa informação ao sistema nervoso central, modulando o comportamento. Colocámos a hipótese que essa informação impacta o apetite por levedura, para potencialmente mitigar os efeitos prejudiciais na oogénese que poderão estar associados a défices nutricionais. Esses resultados levantam muitas questões que abordei nesta tese: 1) É a viabilidade dos ovos que está a ser monitorizada e regula o comportamento? 2) Porque é que fêmeas com defeitos na linha germinal aumentam o apetite por levedura? Estão à procura de um nutriente específico presente na levedura que pode contrariar a perda de viabilidade? 3) Como é que a informação sobre a o estado do ovário está a ser transmitida ao Sistema Nervoso Central? Para testar esta hipótese, examinámos a correlação entre a viabilidade dos ovos e o apetite por levedura usando quarenta e cinco knockdowns de genes onde a letalidade dos ovos tinha sido previamente descrita. Avaliámos o apetite por levedura e realizámos ensaios de viabilidade simultaneamente. Os resultados indicam que a viabilidade não é o parâmetro que as moscas estão a monitorizar, pois não existiu uma forte correlação entre a viabilidade dos ovos e o apetite por levedura. Conseguimos ainda discernir que estes knockdowns de genes resultaram num aumento no número de eventos de alimentação sem alterar a sua duração. Podemos ainda dissecar este fenótipo comportamental, manipulando os estados internos da mosca de forma a determinar em que nível do circuito ocorre a modulação do comportamento. Assim, conseguimos perceber que enquanto que o estado nutricional proteico não tem influência no comportamento, o acasalamento tem, uma vez que só observamos alteração do apetite em moscas geneticamente modificadas se estas estiverem acasaladas. Colocámos a hipótese de que a qualidade dos oócitos depende dos nutrientes, levando as moscas a ajustar o seu apetite para atender às necessidades metabólicas do ovário. Como não sabíamos qual o nutriente que as moscas estavam a procurar na levedura, esperávamos obter informações sobre quais nutrientes poderiam afetar a fisiologia do ovário indiretamente, medindo a viabilidade dos ovos. Dos nossos resultados, o colesterol surgiu como um candidato interessante. Ao remover este nutriente da dieta durante cinco dias, observámos uma diminuição significativa na viabilidade. Em seguida, testámos se as moscas aumentavam o apetite por levedura à procura de colesterol para restaurar a fisiologia do ovário. No entanto, não observámos diferença no apetite de levedura entre moscas alimentadas com uma dieta completa e privadas de colesterol, sugerindo que este não é o nutriente que as mocas procuram. No nosso rastreio inicial, identificámos um grupo significativo de genes cujo knockdown leva a alterações comportamentais significativas. Como a maioria destes genes estão relacionados com a polarização dos oócitos, selecionámos dois candidatos principais (aPKC e put) para investigar possíveis alterações na fisiologia do ovário. De forma a testar esta hipótese, estudámos a acumulação de estágios específicos nos nossos knockdowns que poderiam indicar um problema na progressão da oogénese. Observámos uma diminuição de estágios médios em ambos os knockdowns de aPKC e put. Além disso, foi observado um aumento significativo nos oócitos de fase 14 no knockdown de put, indicando acumulação neste estágio e uma diminuição no número de germários. Neste momento devido ao baixo número de réplicas estes dados não são significativos, mas sugerem um potencial problema na progressão da oogénese. O mecanismo pelo qual a fisiologia do ovário é comunicada ao cérebro permanece desconhecido. Investigámos um candidato potencial, dilp8. O péptido dilp8 é produzido na mosca adulta principalmente nas células foliculares dos oócitos de fase 14, e o seu recetor, Lgr3, é encontrado em vários tecidos, incluindo o oviduto e o Sistema Nervoso Central, indicando uma possível via de sinalização dos ovários para outras partes do corpo. Dados não publicados do nosso laboratório mostram que fêmeas mutantes de qualquer uma das moléculas exibem aumento do apetite por levedura, espelhando o fenótipo comportamental observado nas manipulações anteriores do nosso screen. Tendo isto em conta testámos o fenótipo do apetite por levedura usando uma linha de RNAi e um driver específico de células foliculares, resultando no fenótipo previamente descrito: um aumento do apetite por levedura com a diminuição de expressão de dilp8. Para testar se este péptido medeia a comunicação entre os ovários e o sistema nervoso central, testámos alterações na expressão do gene no knockdown de aPKC e put. Não observámos diferenças no sinal em nenhum dos knockdowns, sugerindo que a expressão de dilp8 não é afetada. Isto suporta a ideia de que esta molécula não está envolvida no fenótipo comportamental observado nestas manipulações da linha germinal. Este projeto explorou a relação entre dieta e fisiologia reprodutiva em D. melanogaster, focando-se em como o ovário influencia o comportamento alimentar. Contrariamente à hipótese inicial, não foi encontrada uma forte correlação entre a viabilidade dos ovos e o apetite por levedura. Em vez disso, a supressão de expressão de certos genes, particularmente aPKC e put, levou a mudanças comportamentais significativas, acompanhado de problemas na progressão da oogénese. Muitas perguntas permanecem sem resposta, incluindo por que as moscas aumentam o apetite por levedura e que nutrientes é que elas procuram. Os resultados indicam que o mecanismo pelo qual a fisiologia do ovário afeta o comportamento alimentar é mais complexo do que se pensava inicialmente, e experiências futuras serão necessárias de forma a identificar as moléculas envolvidas nesta comunicação.

Our research aimed to explore the intricate relationship between nutrition and reproductive physiology particularly focusing on how the ovary physiology influences feeding behavior using Drosophila melanogaster as a model system. On one hand, we aimed at investigating a correlation between egg quality, feeding behavior of the mothers, and finding the nutrients that are critical for maintaining egg quality. By performing a small-scale RNAi screen, we have not found a strong correlation between the feeding behavior of females and the viability of eggs they produced. Instead, our data suggests that rate of oogenesis progression and oocyte development might mediate the appetite for yeast, which indicates a complex interplay between reproductive health and dietary intake. The nature of the molecule(s) that mediate the communication between the ovaries and the central nervous system in the regulation of feeding behavior is currently unknown. On the other hand, using a different approach to link nutrition with ovary physiology, we investigated the impact of several nutrients in maintaining egg viability. While most nutrient deprivations resulted in a decreased egg production, only cholesterol deprivation led to the production of unviable eggs, emerging as an interesting nutrient influencing oocyte quality. Interestingly, while cholesterol is crucial for oocyte development, flies did not increase their yeast appetite when deprived of cholesterol. These results suggest that the mechanism by which ovarian physiology affects feeding behavior is more complex than initially thought. Future research will focus on identifying other potential signaling molecules and pathways that mediate this communication, as well as further exploring the specific nutrients that may influence reproductive health and behavior.