Динамика жидкости изменяет длину тела Caenorhabditis elegans посредством TGF

npj Микрогравитация, том 2, Артикульный номер: 16006 (2016) Цитировать эту статью

2787 Доступов

11 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Атрофия скелетных мышц является серьезным препятствием для долгосрочных исследований космоса. Подобно космонавтам, нематода Caenorhabditis elegans проявляет негативные мышечные и физические эффекты в условиях микрогравитации в космосе. Остается неясным, какие сигнальные молекулы и поведение(я) вызывают эти негативные изменения. Здесь мы изучали ключевые сигнальные молекулы, участвующие в изменениях телосложения C. elegans в ответ на динамику жидкости в наземных экспериментах. Помещение червей в космос на ускоритель 1G увеличило экспрессию генов тяжелой цепи миозина, myo-3, и трансформирующего фактора роста-β (TGF-β), dbl-1. Эти изменения также происходили, когда параметры гидродинамики (вязкость/сопротивление лобовому сопротивлению или глубина залегания жидкой культуры на земле) увеличивались. Кроме того, длина тела увеличивалась у дикого типа и мутантов коллагена кутикулы стенки тела, rol-6 и dpy-5, выращенных в жидкой культуре. Напротив, длина тела не увеличивалась у мутантов TGF-β, dbl-1 или нижележащего сигнального пути sma-4/Smad. Аналогичным образом, D1-подобный дофаминовый рецептор, DOP-4, и механосенсорный канал UNC-8 были необходимы для увеличения экспрессии dbl-1 и изменения телосложения в жидкой культуре. Поскольку скорость сокращения C. elegans при плавании в жидкости намного выше, чем при ползании по поверхности агара, мы также исследовали взаимосвязь между увеличением длины тела и скоростью сокращения. Мутанты со значительно сниженной скоростью сокращения обычно были меньше. Однако у мутантов dop-4, dbl-1 и sma-4 скорость сокращения в жидкости все еще возрастала. Эти результаты позволяют предположить, что нервно-мышечная передача сигналов через TGF-β/DBL-1 влияет на изменение телосложения тела в ответ на условия окружающей среды, включая динамику жидкости.

Телосложение человека формируется в течение длительного периода времени как под воздействием внешних раздражителей, так и под воздействием двигательной походки. Истощение костей и мышц является неизбежной патофизиологической адаптацией в условиях микрогравитации, например, при космическом полете, и при бездействии, например, при прикованности к постели.1–4 Истощение этих тканей является основным препятствием для долгосрочных космических исследований. Микрогравитация, в частности, заметно снижает механическую нагрузку, а также приводит к резким изменениям в динамике жидкости, включая гидростатические силы. Однако до сих пор неясно, какие сигнальные молекулы и поведение вызывают эти патофизиологические адаптации.

Водные упражнения – один из лучших способов достичь оптимальной силы тела и повысить выносливость. Такие упражнения включают в себя физическое применение гидродинамики, особенно гидростатических сил и сопротивления сопротивлению, сопровождающего вязкость жидкости, и эффективны не только у здоровых людей, но и у лежачих пациентов.5–10 Хотя во многих недавних исследованиях параметры динамики потока оценивались как физические стимулы, механизмы восприятия этих стимулов и передачи сигналов от этих стимулов для формирования костей и скелетных мышц, улучшения телосложения и силы остаются неясными.

Caenorhabditis elegans — свободноживущая нематода, которая также широко используется в лабораторных исследованиях. Длина тела может быть изменена с помощью высококонсервативного трансформирующего фактора роста-β (TGF-β)/DBL-1 сигнального пути транскрипционного фактора Smad.11–16 C. elegans имеет по крайней мере две разные двигательные походки, одна из которых проявляется при плавании в воде. жидкости, а другой – при ползании по поверхности.17–21 Переход от плавательной походки к ползающей походке и наоборот контролируется биогенными аминами как кратковременная адаптивная реакция.21 C. elegans также осуществляет кратковременные адаптации к передвижение в ответ на нежные механические стимулы осуществляется через механосенсорный комплекс, состоящий из ионных каналов дегенерина, MEC-4 и MEC-10, обнаруженных в сенсорных нейронах.22–25 Черви также вызывают долговременные адаптивные реакции. Например, мы воспроизводимо обнаружили, что космический полет вызывает снижение экспрессии некоторых мышечных генов,26–29 включая толстые мышечные нити, другие элементы цитоскелета и митохондриальные метаболические ферменты. Эти изменения экспрессии генов, по-видимому, согласуются с изменениями длины тела и накопления жира во время космического полета.29