Wissenschaftler definieren die molekulare Bewegung, die den Darm mit dem Gehirn verbindet, mit Verhalten in Wurmmodellen

Ob es darum geht, vorschnelle Entscheidungen zu treffen oder sich mürrisch zu fühlen, Hunger kann uns dazu bringen, anders zu denken und zu handeln – sogar „hungrig“. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie Hungersignale im Darm mit dem Gehirn kommunizieren, um das Verhalten zu ändern. Jetzt verwenden Salk-Wissenschaftler Würmer als Modell, um die molekularen Grundlagen zu untersuchen und zu erklären, wie Hunger einen Organismus dazu bringt, Komfort zu opfern und riskante Entscheidungen zu treffen, um eine Mahlzeit zu bekommen.

Ihre neuesten Erkenntnisse, veröffentlicht in PLOS-Genetik am 5. Mai 2022, zeigen, dass sich Proteine ​​in Darmzellen dynamisch bewegen, um Signale über Hunger zu übertragen, was letztendlich Würmer dazu bringt, toxische Barrieren zu überwinden, um Nahrung zu erreichen. Ähnliche Mechanismen können auch beim Menschen auftreten.

„Tiere, egal ob es sich um einen bescheidenen Wurm oder einen komplexen Menschen handelt, treffen alle Entscheidungen, um sich selbst zu ernähren, um zu überleben. Die subzelluläre Bewegung von Molekülen könnte diese Entscheidungen antreiben und ist möglicherweise von grundlegender Bedeutung für alle Tierarten“, sagt Seniorautor Sreekanth Chalasani. außerordentlicher Professor am Labor für Molekulare Neurobiologie von Salk.

Chalasani und sein Team verwendeten einen winzigen Wurm namens Caenorhabditis elegans als Modell, um zu bestimmen, wie Hunger zu Verhaltensänderungen führt. Die Forscher errichteten zwischen den hungrigen Würmern und einer Nahrungsquelle eine Barriere aus Kupfersulfat, einem bekannten Wurmschutzmittel. Sie beobachteten, dass, wenn den Würmern zwei bis drei Stunden lang keine Nahrung entzogen wurde, sie eher bereit waren, die toxische Barriere zu durchqueren, als gut ernährte Würmer.

Mithilfe von genetischen Werkzeugen und bildgebenden Verfahren untersuchten die Forscher dann die Darmmoleküle, die möglicherweise Signale an das Gehirn senden. Sie fanden heraus, dass bestimmte Transkriptionsfaktoren, Proteine, die Gene „an“ und „aus“ schalten, ihre Position in hungrigen Tieren verschoben. Normalerweise hängen Transkriptionsfaktoren im Zytoplasma der Zelle und wandern nur dann in den Zellkern, wenn sie aktiviert sind – ähnlich wie wir zu Hause leben, aber ins Büro gehen, um zu arbeiten.

Das Team war überrascht zu entdecken, dass diese Transkriptionsfaktoren, MML-1 und HLH-30 genannt, zurück ins Zytoplasma wandern, wenn der Wurm hungrig ist. Als die Wissenschaftler diese Transkriptionsfaktoren löschten, hörten hungrige Würmer auf zu versuchen, die toxische Barriere zu überwinden. Dies zeigt eine zentrale Rolle für MML-1 und HLH-30 bei der Kontrolle, wie Hunger das Verhalten von Tieren verändert.

In einem Folgeexperiment entdeckten die Forscher auch, dass ein Protein namens insulinähnliches Peptid INS-31 aus dem Darm ausgeschieden wird, wenn MML-1 und HLH-30 unterwegs sind. Neuronen im Gehirn stellen wiederum einen Rezeptor her, der die INS-31-Sekrete erkennen könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Nahrungsmangel führt zur Bewegung von MML-1 und HLH-30, was die Ausschüttung von INS-31 fördern könnte. INS-31-Peptide binden dann Rezeptoren auf Neuronen, um Hungerinformationen weiterzuleiten und riskantes Verhalten bei der Nahrungssuche zu fördern.

„C. elegans sind raffinierter, als wir ihnen zutrauen“, sagt Co-Erstautorin Molly Matty, Postdoktorandin in Chalasanis Labor. „Ihr Darm spürt einen Nahrungsmangel und meldet dies dem Gehirn. Wir glauben, dass diese Transkriptionsfaktorbewegungen das Tier dazu bringen, eine Risiko-Ertrags-Entscheidung zu treffen, wie das Überwinden einer unangenehmen Barriere, um an Nahrung zu gelangen.“

Als nächstes werden die Wissenschaftler die dynamische Natur dieser Transkriptionsfaktoren und die zugrunde liegenden Mechanismen weiter untersuchen. Mit weiteren Arbeiten könnten diese Ergebnisse Aufschluss darüber geben, wie andere Tiere wie Menschen Grundbedürfnissen Vorrang vor Komfort einräumen.

Andere Autoren waren Hiu Lau, Jessica Haley, Anupama Singh, Ahana Chakraborty, Karina Kono und Kirthi Reddy von Salk; und Malene Hansen von Sanford Burnham Prebys.