Sex differences in Caenorhabditis elegans in body composition, lipid storage and gene expression under ad libitum and dietary restriction conditions

Miersch, Claudia

The nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) contains two sexes, males and hermaphrodites, which are highly dimorphic in anatomy, nervous system and behavior. However, the physiology of males in comparison to hermaphrodites under normal feeding conditions and in the context of dietary restriction (DR) is largely unexplored. Here, body proportions and composition, certain aspects of carbohydrate metabolism, fat storage and gene expression of males and hermaphrodites were analyzed under ad libitum and DR conditions. Furthermore, males were used to determine the influence of different paternal DR regimes on F1 progeny fat content. In this study male-enriched mutant stains were used, one with a sex-specific GFP signal, led to a large number of males being separated from hermaphrodites by flow-cytometry. Analysis of sex differences under ad libitum conditions unraveled that the fat-to-fat-free mass as well as the body volume adjusted fat mass was similar between the sexes, although the body size was over 50 % lower in adult males than in age-matched hermaphrodites. In contrast, males had an about 2-fold lower volume adjusted total RNA content than hermaphrodites. Biochemical and NMR-based analyses revealed higher trehalose and much lower glucose levels in males than in hermaphrodites, resulting in a 5.4-fold higher trehalose to glucose ratio. These sex differences were reflected by gene expression data since genes encoding key enzymes of the glycolysis and trehalose synthesis pathway were higher expressed in males than in hermaphrodites. Notably, the phosphofructokinase gene (C50F4.2) showed a 29-fold higher expression level in males. Comparative analysis of gene expression data identified 285 male-specific and 160 hermaphrodite-specific genes including transcription factors and many C-type lectin genes. More than 35 % of all C-type lectin genes were higher expressed in males and many of them had a more than 100-fold higher expression level. As response to DR both sexes increased their fat-to-fat-free mass ratio and enlarged their lipid droplets to a similar extent. However, the reduction of body size, protein content and total RNA content was more pronounced in hermaphrodites under DR than in males. Functional enrichment analysis of gene expression data showed a DR-induced down-regulation of several embryogenesis-associated genes in hermaphrodites. Moreover, DR promoted an ongoing expression of sperm-associated genes from young adulthood to adulthood in hermaphrodites but not in males. In order to examine the influence of paternal diet on the next generation, fog-2 mutant strain was used. fog-2 hermaphrodites do not produce sperm and are therefore termed as females, while fog-2 males are unaffected. Males undergoing several DR regimes were crossed with ad libitum fed females. The corresponding progeny were analyzed according to their fat content with BODIPYTM 493/503 staining. An inverted U-shaped relationship between the extent of paternal DR and the level of progeny fat content was found. The relationship was evident in both progeny sexes, while body proportions did not change. In conclusion, these findings extend the knowledge of sex differences in C. elegans under ad libitum and DR conditions. The data identified sex differences in carbohydrate metabolism, which are linked to gene expression under ad libitum condition. DR increases the fat stores of both sexes in form of large lipid droplets and prolongs the reproductive program of hermaphrodites. Furthermore, these results establish a connection between paternal food consumption and adaptive developmental plasticity.

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans (C. elegans) enthält in seiner Population zum größten Teil sich selbst befruchtende Hermaphroditen. Jedoch treten durch Non-Disjunction Ereignisse während der Meiose auch wenige Männchen (ca. 0.3 %) auf. Beide Geschlechter unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Anatomie, ihres Nervensystems und ihres Verhaltens. Aufgrund des geringen Vorkommens ist über die Physiologie der Männchen im Vergleich zu den Hermaphroditen, insbesondere im Rahmen einer Nahrungsrestriktion (NR), kaum etwas bekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Körperproportionen, die Körperzusammensetzung, verschiedene Aspekte des Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsels sowie das Genexpressionsprofil von Männchen und Hermaphroditen unter ad libitum und NR Bedingungen zu analysieren. Außerdem wurden nahrungsrestriktiv ernährte Männchen verwendet, um den Einfluss einer paternalen NR auf den Fettgehalt der F1-Nachkommen zu untersuchen. Für alle Analysen wurden Mutanten-Stämme verwendet, die einen höheren Anteil an Männchen in ihrer Population aufweisen. Zusätzlich wurde auf einen Mutanten-Stamm zurückgegriffen, der GFP-markierte Männchen enthält, wodurch mittels Durchflusszytometrie eine optimale Abtrennung von Hermaphroditen erreicht werden konnte. Unter ad libitum Bedingungen zeigten beide Geschlechter ein ähnliches Verhältnis von Fettmasse zur fettfreien Masse, obwohl Männchen über 50 % kleiner sind als Hermaphroditen. Im Gegensatz dazu, wiesen Männchen einen 2-fach geringeren RNA Gehalt auf. Biochemische und NMR-basierte Methoden zeigten weiterhin, dass Männchen höhere Trehalose aber niedrigere Glukose Werte im Vergleich zu Hermaphroditen besitzen. Diese Geschlechtsunterschiede spiegelten sich deutlich auf Genexpressionsebene wieder. Gene von Schlüsselenzymen der Glykolyse und der Trehalosesynthese wurden in Männchen höher exprimiert als in Hermaphroditen. Das Gen der Phosphofruktokinase (C50F4.2) zeigte dabei mit einer 29-fach höheren Expression in Männchen einen deutlichen Unterschied zu Hermaphroditen. Die weitere Analyse der Genexpressionsdaten identifizierte 285 Gene spezifisch für Männchen und 160 Gene spezifisch für Hermaphroditen. Innerhalb dieser Gene fanden sich viele Transkriptionsfaktoren und C-Typ Lektine. Besonders auffällig war, dass von allen C-Typ Lektinen in C. elegans über 35 % höher in Männchen exprimiert wurden. Unter NR konnte in Hermaphroditen wie auch in Männchen ein Anstieg der Fettmasse und eine Vergrößerung der Fetttröpfchen festgestellt werden. Beide Geschlechter reduzierten ihre Körpermasse und ihren Proteingehalt mit wesentlich deutlicheren Effekten in Hermaphroditen. Zusätzlich war der RNA-Gehalt in Hermaphroditen deutlich abgesenkt, während bei den Männchen keinerlei Veränderungen messbar waren. Mit Hilfe einer Anreicherungsanalyse der Genexpressionsdaten konnte gezeigt werden, dass es unter NR zu einer verminderten Expression von Embryogenese-Genen in Hermaphroditen kommt. Außerdem blieb die unter ad libitum beobachtete Absenkung der Transkriptspiegel von spermien-spezifischen Genen unter NR Bedingungen aus. Um den Einfluss der paternalen Ernährung auf die nächste Generation zu untersuchen, wurden fog-2 Hermaphroditen verwendet, die keine Spermien bilden können und daher als Weibchen bezeichnet werden. fog-2 Männchen werden durch diese Mutation nicht beeinflusst. Im Experiment wurden Männchen verschiedenen NR Bedingungen ausgesetzt und anschließend mit ad libitum gefütterten Weibchen gekreuzt. Die daraus entstehenden Nachkommen wurden hinsichtlich ihres Fettgehaltes mit einer fixierten BODIPYTM 493/503 Fettfärbung untersucht. In den Nachkommen von nahrungsrestriktiv ernährten Männchen wurde eine inverse U-förmige Beziehung zwischen ihrem Fettgehalt und dem Ausmaß der paternalen NR gefunden. Dieser Zusammenhang wurde in beiden Geschlechtern beobachtet, ohne dass es zu Veränderungen in den Körperproportionen kam. Diese Arbeit erweitert unser Wissen über Geschlechtsunterschiede beim Fadenwurm C. elegans unter normalen und restriktiven Nahrungsbedingungen. Die Daten zeigen unter ad libitum Bedingungen eine Verknüpfung zwischen den gefundenen Geschlechtsunterschieden im Kohlenhydratstoffwechsel und der Genexpression. Unter NR Bedingungen erhöhen beide Geschlechter ihre Fettreserven über größere Lipidtröpfchen und die Hermaphroditen setzen verzögert in die Reproduktionsphase ein. Weiterhin eröffnen die Ergebnisse eine Verbindung zwischen dem paternalen Nahrungskonsum und der physiologischen Varianz in der Entwicklung eines Organismus.

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Miersch, Claudia: Sex differences in Caenorhabditis elegans in body composition, lipid storage and gene expression under ad libitum and dietary restriction conditions.

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