饮食中糖分控制对雌黑腹果蝇寿命和中肠干细胞的影响

唐润东， 宋思远， 吴 薇

(1. 上海市七宝中学， 上海201100； 2. 上海外国语大学附属浦东外国语学校， 上海200120；3. 中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所， 上海200031)

暴饮暴食是当今不同年龄段人们共同面对的难题，暴饮暴食带来一系列的危害。糖是饮食中重要的组成成分，是能量的主要来源之一。研究表明，高糖饮食会引发肥胖症、胰岛素抗性[1]、心肌病[2]，线粒体功能障碍者多食高糖还会引发代谢危机[3]等。

黑腹果蝇(Drosophlia melanogaster)生命周期较短， 寿命只有3个月左右， 且与人类衰老基因有高度同源性，特别适合开展寿命研究[4-10]。越来越多学者通过对果蝇寿命的研究来寻找合适的生存方式和药物开发。研究显示， 白砂糖、避孕药、鬼箭羽和荔枝核提取物、北虫草提取液、长白山虫草、紫薯提取物、山药粗多糖、绣球菌多糖、紫甘蓝和紫山药提取物等[11-20]都对果蝇寿命产生影响。

果蝇的消化系统在生理结构、细胞构成、遗传调控及其干细胞的形态和功能上，都与脊椎动物存在很大相似性。因此， 果蝇是适宜研究肠干细胞发育命运和调控机理的理想动物模型。Spradling[21]和Perrimon[22]实验室运用肠道细胞的相关分子标记发现，成体果蝇的中肠存在肠道干细胞(intestinal stem cell， ISC)。ISC 经过有丝分裂产生一个子代ISC 和一个成肠细胞(enteroblast， EB)，EB又可以分化为吸收型的肠上皮细胞(enterocyte， EC)和分泌型的内分泌细胞(enteroendocrine cell， EE)，这些细胞共同构成了肠道组织，并且通过ISC 的增殖、分化来实现维持和更新。楼哲丰等[23]研究表明，高浓度镉的摄入对果蝇中肠上皮细胞核膜、线粒体和微绒毛等超微结构造成损伤，该类损伤能够诱使果蝇肠道组织上调表达相关配体蛋白，从而激活干细胞的表皮生长因子受体(EGFR)和Janus 激酶信号转导子和转录激活子(JAK/STAT)信号通路，促进ISC 的增殖与分化能力，继而实现对肠道损伤组织进行及时的修复。然而，中肠干细胞增殖信号通路的持续激活以及干细胞的过度增殖同样具有诱发肠道肿瘤发生的潜在可能。唐润东等[24]研究表明，食物中的营养失衡会显著影响果蝇的体质量以及肠壁和肠道干细胞的数目，导致果蝇体质量下降或上升，肠道细胞增殖功能紊乱，对果蝇发育产生严重影响。

综上所述，进行饮食中糖分控制是非常必要的， 而寿命和中肠干细胞都是非常重要的测试指标。本试验用梯度糖分浓度控制方式研究糖分对雌黑腹果蝇体质量、寿命和中肠干细胞产生的影响， 以期给女性树立正确科学的饮食观念提供一定的指导。

1 材料与方法

1.1 动物

黑腹果蝇Canton-S 购自美国Bloomington 果蝇资源中心。

1.2 培养基

正常果蝇培养基配方： 水1 L， 活性干酵母25 g，大豆粉9.18 g，玉米粉66.8 g，蔗糖40 g，麦芽糖42.4 g，琼脂粉6 g， 对羟基苯甲酸甲酯/无水乙醇0.25 mL/2.5 mL、苯甲酸钠8 g， 丙酸6.875 mL。以正常培养基含糖量为100%糖分， 高糖果蝇培养基配方(含120%糖分)是在上述正常培养基配方基础上增加质量分数20%含糖量(蔗糖+麦芽糖)， 余类推。

培养基原料均购自上海维编科贸有限公司，由中科院上海生物化学与细胞生物学研究所果蝇资源与技术平台配制。

万分之一天平FA1004 购自中国上海衡平仪器仪表厂。激光扫描共聚焦显微镜Leica TCS SP8 购自德国徕卡公司。

1.3 方法

1.3.1 体质量和寿命统计 将1 日龄黑腹果蝇置于装有不同培养基的果蝇培养管中饲养， 每管30 只，雌雄各15 只(雌雄混合饲养是为了维持果蝇正常的生活状态)。25 ℃、相对湿度40%～60%、12 h 光照+12 h 黑暗培养，每2～3 d 更换一次培养基。果蝇设7 个组别(表1)， 每组设6 个重复(6 管)， 3 管用来称重，3 管用来解剖。每7 d 用万分之一天平称各管雌果蝇体质量； 每7 d 统计雌果蝇存活数、死亡数，直到全部死亡，计算存活率和平均寿命。

表1 果蝇组别设置Table 1 Treatments of groups in Drosophlia melanogaster

1.3.2 中肠干细胞免疫荧光染色 28 d时解剖10只雌果蝇(从3 个重复管中平均选取)中肠，免疫荧光染色，观察干细胞形态和分布情况。染色条件为：果蝇中肠经质量分数4%甲醛固定后用PBST(0.1%PBS/Triton X-100)洗4 次，每次20 min，接着用质量分数2% BSA/PBST 溶液封闭1 h，然后与一抗(按一定比例稀释于PBST 溶液)孵育2 h。PBST洗4 次，每次20 min，与荧光二抗孵育(按一定比例稀释于PBST)1 h， 接着PBST洗4次， 每次20 min。解剖果蝇取中肠置于载玻片上，封片用于后续观察。在研究中使用的抗体包括鼠抗-Armadillo(1∶500， v/v) ( DSHB，Iowa City，Iowa， United States)， 鼠抗-Prospero(1∶2000， v/v) (DSHB)，DAPI 染细胞核。采用Leica TCS SP8 系统观察激光共聚焦图片，实验图片采用Adobe Photoshop 及Image J 软件进行处理。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 糖分控制对雌果蝇体质量的影响

28 d 以后， 果蝇死亡半数以上，故不再称重。由图1 可以看出，随着年龄增长，A 组和 B 组雌果蝇体质量均呈现先缓慢上升，21 d后体质量快速上升趋势，A 组体质量增长0.73 mg，B 组体质量增长0.77 mg，说明摄入过量糖会加速雌果蝇体质量增加。高糖喂养后用糖分梯度培养基喂养，体质量增长趋势随着糖分减少呈先下降后上升趋势，体质量增长最慢的是E 组，其次是F 组。而G 组效果不明显，C 组、 D 组体质量增加没有减缓。

2.2 糖分控制对雌果蝇存活率的影响

56 d 统计时各组果蝇全部死亡。由图2 可以看出， 随着处理时间的延长，雌果蝇在前14 d 基本没有死亡， 而在14 d 以后， 死亡数量剧增， 21 d 以后呈直线下降趋势。B 组雌果蝇存活率远低于A 组。梯度糖分控制后， 存活率有不同程度的增加， E组存活率最高，28 d 存活率为86.67%，A 组为62.22%，B 组为40.00%。

2.3 糖分控制对雌果蝇平均寿命的影响

由图3 可以看出， B 组雌果蝇平均寿命(25.2 d)与A 组(29.4 d)没有显著差异。但经过糖分控制处理后， D 组和 E 组寿命增长明显，且E 组(35.15 d)与B 组比差异显著，C 组和 G 组寿命几乎没有增加。说明适当减少糖摄入量利于长寿，但完全不吃糖也不利于寿命增加。

图1 糖分控制对雌果蝇体质量的影响Figure 1 The effects of sugar concentration control on body weight of female Drosophila melanogaster

图2 糖分控制对雌果蝇存活率的影响Figure 2 The effects of sugar concentration control on survival rate of female Drosophila melanogaster

图3 糖分控制对雌果蝇平均寿命的影响Figure 3 The effects of sugar concentration control on average longevity of female Drosophila melanogaster

2.4 糖分控制对雌果蝇中肠细胞形态的影响

喂养到28 d时(图4)，A组肠道细胞分布均匀，形态正常，B 组肠道比A 组增粗，细胞形态变化很大，排列无序，说明中肠受到损伤。高糖喂食后用控制糖分培养基喂养，各组中肠细胞形态与一直高糖喂养相比都有一定变化。C 组、D 组和G 组细胞排列无序， E 组和F 组细胞排列有序性增强，说明肠道受损伤较轻，但仍旧不能恢复到一直正常饮食状态，说明合理控制糖分摄入对雌性身体健康是有好处的，但暴食高糖后恢复正常或降低糖分摄入饮食短期内都不能完全减轻肠道损伤。

3 讨论

图4 糖分控制对雌果蝇中肠干细胞形态的影响Figure 4 The effects of sugar concentration control on midgut cells of female Drosophila melanogaster

果蝇在实验室培养中，能量的来源只有培养基，因此研究培养基各成分对果蝇寿命的影响具有实际意义。酵母粉是果蝇饲料中不可缺少的基本成分之一，研究表明酵母粉摄入限制下，果蝇寿命有明显的延长。但酵母粉摄入超过一定量时会促使果蝇寿命缩短，Min 等[25]研究表明，培养基中酵母粉含量达到质量分数8%和质量分数16%时，果蝇的寿命有明显的缩短，顾蔚等[26]研究了高浓度酵母粉对果蝇生长及寿命的影响，显示高浓度酵母粉对果蝇生长具有促进作用，但寿命显著缩短。

糖也是果蝇饲料中不可缺少的基本成分之一，田祯祥等[11]采用雌性黑腹果蝇寿命作为女运动员运动水平的模型，研究表明雌性黑腹果蝇的寿命与白砂糖浓度成倒U字型相关，正常糖分组处于寿命内稳态，低糖或高糖远离寿命内稳态。

本试验从不同糖浓度处理对雌果蝇的体质量、寿命和中肠干细胞形态影响的综合分析表明，高糖饮食后适度减糖能减缓体质量增长，延长寿命，但只能一定程度上减轻肠道损伤，不能完全恢复。说明对雌性果蝇来说，合理控制饮食，控制糖分摄入很重要。但糖分只是饮食的一个重要组成成分，还有脂肪、蛋白质等，也需要进一步研究。