Drosophila melanogaster dans la recherche sur la nutrition-l’importance de standardiser les régimes expérimentaux

La qualité des études nutritionnelles dépend largement de la question de recherche abordée, du plan expérimental, de la puissance statistique et de la composition des régimes expérimentaux. La grande majorité des études nutritionnelles sur des organismes modèles ont été menées sur des rongeurs de laboratoire tels que les souris et les rats. Les besoins nutritionnels des rongeurs sont relativement bien établis, y compris l’énergie, les lipides, les acides gras, les glucides, les protéines et les acides aminés, ainsi que les vitamines, les minéraux et les oligo-éléments.

La mouche des fruits Drosophila melanogaster a été largement utilisée comme un organisme modèle robuste en génétique, en biologie du développement, en vieillissement et dans d’autres domaines de la recherche biomédicale pendant une longue période. Ce n’est que récemment que les nutritionnistes expérimentaux ont commencé à considérer la drosophile comme un organisme modèle polyvalent dans la recherche sur l’alimentation et la nutrition. Il n’est donc pas surprenant que les exigences alimentaires des mouches n’aient pas encore été ajustées aussi finement que celles des rongeurs de laboratoire. En ce qui concerne les régimes complexes de la drosophile, il est intéressant de noter que de nombreuses recettes différentes de milieux complexes ont été décrites dans la littérature.

Dans cette revue, nous examinons de manière critique la variété des régimes – y compris l’état préliminaire des régimes définis chimiquement – employés dans la recherche sur la drosophile. En outre, nous soulignons qu’un régime standardisé sera nécessaire pour mettre en œuvre la drosophile comme un organisme modèle prometteur dans les études d’interaction régime-maladie.

Diètes expérimentales dans la recherche sur la drosophile

Les régimes de la drosophile sont souvent formulés à base de levure, de maïs, de saccharose et d’agar . Cependant, la composition en nutriments peut varier considérablement entre ces recettes. De plus, d’autres ingrédients sont parfois utilisés, notamment le glucose, l’orge, le soja, la peptone et la banane. Les régimes peuvent également différer en termes de conservateurs pour prolonger la stabilité et la durée de conservation. La plupart des recettes comprennent à la fois de l’ester méthylique de l’acide p-hydroxybenzoïque (nipagine) et de l’acide propionique ; cependant, d’autres n’utilisent qu’un seul de ces conservateurs, tandis que dans certains cas, des antibiotiques tels que la pénicilline-streptomycine ou un mélange d’acide phosphorique-propionique sont ajoutés . En outre, les régimes dits « riches en graisses et/ou en sucres » sont également appliqués chez D. melanogaster pour induire des phénotypes diabétiques ou obèses. Cependant, la composition des régimes « riches en graisses » ou « riches en sucres » n’est pas suffisamment définie, ce qui complique encore la comparaison des données entre les différentes études et les différents laboratoires. Par exemple, dans certaines études, du saindoux (généralement 15 %) est utilisé pour induire un phénotype obèse, alors que dans d’autres études, c’est de l’huile de coco (environ 20 à 30 %) qui est administrée. À cet égard, il convient de noter que ces deux principales sources de graisse ne diffèrent pas seulement de manière substantielle dans leur composition, mais que des variations importantes sont également observées entre les différents lots de saindoux et d’huile de coco. Le saindoux est composé d’environ 40% d’acides gras saturés, 45% d’acides gras monoinsaturés et 15% d’acides gras polyinsaturés, les trois acides gras dominants étant l’acide palmitique, l’acide oléique et les acides stéarique et linoléique. En revanche, l’huile de coco contient principalement des acides gras saturés (environ 90 %) et seulement de faibles quantités d’acides gras monoinsaturés et polyinsaturés (environ 6 % et 2 %, respectivement). Elle se caractérise par des quantités élevées d’acide laurique, myristique, caprique et caprylique qui diffèrent significativement du saindoux .

En outre, les régimes à haute teneur en sucre comprennent soit des quantités variables de glucose, de fructose ou de saccharose , ce qui complique les comparaisons inter-laboratoires. En outre, les protocoles de restriction énergétique, connus pour affecter la durée de vie et la santé des organismes modèles, n’ont pas encore été normalisés pour la recherche expérimentale sur D. melanogaster. Par exemple, dans la majorité des études sur les mouches portant sur la restriction alimentaire, une restriction en protéines/acides aminés a été provoquée par une réduction de la levure, sans tenir compte du fait que dans la plupart des régimes alimentaires des drosophiles, la levure est également la seule source d’autres nutriments essentiels. Les différences dans la composition du régime alimentaire peuvent également contribuer à la grande variance des effets observés des mimétiques de restriction énergétique sur la durée de vie et la santé de D. melanogaster. Pour surmonter les limites des régimes complexes, diverses tentatives ont été entreprises pour créer un milieu semi-défini ou entièrement défini pour les mouches des fruits. Piper et ses collègues ont mis au point un régime holidic pour D. melanogaster. Ce régime holidic est entièrement défini en termes d’énergie et de composition en macro et micronutriments. Plus important encore, le régime semi-synthétique défini chimiquement favorise le développement de la drosophile mais, comparé aux régimes complexes, il se caractérise par un taux de réussite considérablement réduit et un temps de développement radicalement prolongé. En outre, la fécondité des mouches élevées sur le milieu holidic est considérablement réduite par rapport aux milieux complexes. Des limitations similaires ont été rapportées pour d’autres régimes semi-définis ou entièrement définis. Ainsi, le régime holidic peut manquer de nutriments non encore identifiés qui sont présents dans les régimes complexes. En conséquence, seules quelques études traitent des besoins exacts en acides gras, vitamines et oligo-éléments de D. melanogaster. Par conséquent, des études futures sont nécessaires qui peuvent améliorer la qualité nutritionnelle des régimes expérimentaux holidic.

Phénotypage de la drosophile et interactions régime-maladie

D. melanogaster peut subir un phénotypage complet également en réponse à des facteurs alimentaires. D’un point de vue nutritionnel, l’apport alimentaire, le choix des aliments, la composition corporelle, la dépense énergétique et la composition du microbiote sont des relevés importants . Ces données sont complétées par d’autres tests fonctionnels tels que l’activité locomotrice et le sommeil, la cognition, la réponse au stress et aux infections, la durée de vie et la fertilité, selon le contexte expérimental. Ainsi, comme pour les souris de laboratoire, des plateformes de phénotypage complètes sont disponibles pour les mouches des fruits, comme le résume la figure 1.

D. melanogaster permet également de mener des études dans des modèles liés à des maladies. Ainsi, il existe différents mutants ainsi que des modèles transgéniques disponibles, qui ressemblent en partie aux maladies chroniques prévalant chez l’homme . En fait, D. melanogaster a été utilisé pour étudier des pathologies liées à la fonction cérébrale (pathologie A bêta et tau, maladie de Parkinson, maladie de Huntington) , à la fonction respiratoire (asthme, bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO)) , à la fonction motrice (dystrophie musculaire, sclérose latérale amylotrophique) ), à la fonction rénale (néphtrolithiase) , aux troubles intestinaux , au diabète , à la fonction cardiaque (cardiomyopathie) ainsi qu’aux troubles psychiatriques (TDAH, alcool et autres addictions) .

Pour étudier ces maladies complexes et souvent multifactorielles chez la mouche du fruit, deux approches différentes sont applicables en fonction de la nature même de la maladie : (i) Les modèles transgéniques hétérologues de D. melanogaster sont employés pour étudier les protéines pathogènes clés qui ne sont généralement pas présentes chez la mouche. Un exemple typique est celui des modèles de neurodégénérescence, où, par exemple, les gènes humains de la maladie d’Alzheimer (tels que la protéine précurseur de l’amyloïde, les peptides A-β ou les protéines tau), les gènes humains de la maladie de Parkinson (α-synucléine, parkine) ou les gènes de la maladie polyQ sont exprimés dans la mouche. Ces animaux ont été analysés avec succès pour évaluer les effets biologiques et les voies impliquées dans le processus de la maladie . (ii) Les modèles de maladies homologues/analogues de la mouche sont utilisés pour étudier les gènes de maladies conservés au cours de l’évolution qui se trouvent à la fois chez la mouche et chez l’homme. Il a été estimé qu’environ deux tiers des gènes pathogènes humains ont un homologue fonctionnel chez la mouche. Un exemple caractéristique du deuxième type de modèles de drosophile utilisant des homologues fonctionnels de la mouche se trouve dans le domaine de la recherche sur les maladies pulmonaires. La plupart des gènes de susceptibilité aux maladies pulmonaires complexes telles que l’asthme ont des homologues chez la mouche, et il a été possible d’élucider le rôle fonctionnel du gène de susceptibilité à l’asthme ORMDL3 en utilisant cette approche. Nous aimerions souligner ici que, bien que ces modèles de mouche puissent être utiles pour élucider de nouvelles informations sur les processus génétiques et cellulaires fondamentaux qui sous-tendent certaines maladies, ils ne sont généralement capables de modéliser que certains aspects des maladies humaines complexes et multifactorielles susmentionnées.

Les modèles de drosophile imitant les maladies peuvent être soumis à différents régimes alimentaires pour isoler les interactions régime-maladie. L’objectif ultime de ces études est d’identifier les nutriments ou les régimes alimentaires qui atténuent ou accélèrent le processus pathologique. Les interactions régime-maladie ont déjà été étudiées dans un nombre limité d’études sur les mouches. Les modèles de la maladie de Parkinson ont notamment été utilisés pour identifier de nouvelles approches thérapeutiques basées sur les nutriments et l’alimentation. En particulier, il a été démontré que des facteurs alimentaires tels que l’acide ascorbique, les polyphénols, le disulfure d’allyle et le sulforaphane, ainsi que le zinc alimentaire, avaient des effets positifs dans plusieurs modèles de mouche de la maladie de Parkinson. D’autres exemples sont des études sur l’impact des régimes riches en sucres ou en graisses sur la santé cardiaque. Les voies de signalisation et métaboliques qui régulent la physiologie du cœur de la mouche présentent un degré élevé de conservation par rapport au cœur humain. Par conséquent, des mutants et des transgènes des gènes respectifs de la drosophile ont été utilisés pour étudier les canalopathies et les cardiomyopathies. Comme chez l’homme, où le syndrome métabolique est associé à une incidence accrue de cardiomyopathies, les régimes alimentaires riches en sucre ou en graisses ont entraîné une augmentation de l’arythmie et une détérioration du cœur de la mouche. Ainsi, la combinaison de plateformes de phénotypage complètes avec des modèles de drosophile liés à la maladie (en réponse à un facteur alimentaire) jette les bases de l’établissement d’une clinique de la mouche (Fig. 1). Néanmoins, il faut garder à l’esprit que les modèles de drosophile liés aux maladies ont des mérites et des limites. Ainsi, les études menées chez la drosophile doivent être vérifiées en fin de compte dans d’autres organismes de complexité biologique croissante, y compris les espèces de mammifères.