La dinamica dei fluidi altera la lunghezza del corpo di Caenorhabditis elegans tramite TGF

npj Microgravity volume 2, Numero articolo: 16006 (2016) Citare questo articolo

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L’atrofia dei muscoli scheletrici è un grosso ostacolo per l’esplorazione spaziale a lungo termine. Similmente agli astronauti, il nematode Caenorhabditis elegans mostra effetti fisici e muscolari negativi quando si trova in condizioni di microgravità nello spazio. Non è chiaro quali molecole di segnalazione e comportamenti causino queste alterazioni negative. Qui abbiamo studiato le molecole di segnalazione chiave coinvolte nelle alterazioni del fisico di C. elegans in risposta alla dinamica dei fluidi in esperimenti a terra. Il posizionamento di vermi nello spazio su un acceleratore 1G ha aumentato l’espressione genetica della catena pesante della miosina, myo-3, e del fattore di crescita trasformante β (TGF-β), dbl-1. Questi cambiamenti si sono verificati anche quando i parametri fluidodinamici viscosità/resistenza al trascinamento o la profondità della coltura liquida sono stati aumentati sul terreno. Inoltre, la lunghezza del corpo è aumentata nei mutanti di collagene della cuticola di tipo selvatico e della parete corporea, rol-6 e dpy-5, coltivati ​​in coltura liquida. Al contrario, la lunghezza del corpo non è aumentata nei mutanti di TGF-β, dbl-1 o della via di segnalazione a valle, sma-4/Smad. Allo stesso modo, un recettore della dopamina simile a D1, DOP-4, e un canale meccanosensoriale, UNC-8, erano necessari per una maggiore espressione di dbl-1 e un fisico alterato nella coltura liquida. Poiché i tassi di contrazione di C. elegans sono molto più elevati quando si nuota in un liquido rispetto a quando si striscia su una superficie di agar, abbiamo anche esaminato la relazione tra l'aumento della lunghezza del corpo e il tasso di contrazione. I mutanti con tassi di contrazione significativamente ridotti erano tipicamente più piccoli. Tuttavia, nei mutanti dop-4, dbl-1 e sma-4, i tassi di contrazione aumentavano ancora nel liquido. Questi risultati suggeriscono che la segnalazione neuromuscolare tramite TGF-β/DBL-1 agisce per alterare il fisico corporeo in risposta alle condizioni ambientali, inclusa la fluidodinamica.

Il fisico di un individuo viene modellato per lunghi periodi sia da stimoli esterni che da andature locomotorie. Il deperimento osseo e muscolare è un inevitabile adattamento fisiopatologico in condizioni di microgravità, ad esempio nei voli spaziali, e in caso di inattività, ad esempio quando si è costretti a letto.1–4 Il deperimento di questi tessuti rappresenta un ostacolo importante per l'esplorazione spaziale a lungo termine. La microgravità in particolare diminuisce notevolmente il carico meccanico e provoca anche drastici cambiamenti nella fluidodinamica, comprese le forze idrostatiche. Tuttavia, non è ancora chiaro quali molecole di segnalazione e quali comportamenti causino questi adattamenti fisiopatologici.

L'esercizio acquatico è uno dei modi migliori per ottenere una forza corporea ottimale e aumentare il vigore. Tale esercizio implica l'applicazione fisica della dinamica dei fluidi, in particolare delle forze idrostatiche e della resistenza all'attrito che accompagna la viscosità del liquido, ed è efficace non solo negli individui sani ma anche nei pazienti costretti a letto.5-10 Sebbene molti studi recenti abbiano valutato i parametri dinamici del flusso come stimoli fisici, i meccanismi di percezione di questi stimoli e di trasduzione del segnale da questi stimoli alla formazione delle ossa e dei muscoli scheletrici, al miglioramento del fisico e della forza rimangono poco chiari.

Caenorhabditis elegans è un nematode a vita libera che è anche un animale da laboratorio ampiamente utilizzato. La lunghezza del corpo può essere alterata tramite una via di segnalazione altamente conservata del fattore di crescita trasformante β (TGF-β)/fattore di trascrizione Smad DBL-1.11–16 C. elegans ha almeno due diverse andature locomotorie, una viene visualizzata quando si nuota in acqua. liquido e l'altro quando si striscia su una superficie.17-21 La transizione dall'andatura natatoria all'andatura strisciante e viceversa è controllata da ammine biogene come risposta adattativa a breve termine.21 C. elegans effettua anche adattamenti a breve termine a locomozione in risposta a delicati stimoli meccanici attraverso un complesso meccanosensoriale composto dai canali ionici della degenerina, MEC-4 e MEC-10, presenti nei neuroni sensibili al tocco.22-25 I vermi producono anche risposte adattative a lungo termine. Ad esempio, abbiamo scoperto in modo riproducibile che il volo spaziale induce una ridotta espressione di alcuni geni muscolari, 26-29 inclusi i filamenti muscolari spessi, altri elementi citoscheletrici e gli enzimi metabolici mitocondriali. Questi cambiamenti nell'espressione genetica sembravano essere coerenti con i cambiamenti nella lunghezza del corpo e nell'accumulo di grasso durante il volo spaziale.29