A dinâmica dos fluidos altera o comprimento do corpo de Caenorhabditis elegans via TGF

npj Microgravity volume 2, Número do artigo: 16006 (2016) Citar este artigo

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A perda de massa muscular esquelética é um grande obstáculo para a exploração espacial a longo prazo. Semelhante aos astronautas, o nematóide Caenorhabditis elegans exibe efeitos físicos e musculares negativos quando em microgravidade no espaço. Ainda não está claro quais moléculas de sinalização e comportamento(s) causam essas alterações negativas. Aqui estudamos as principais moléculas de sinalização envolvidas nas alterações do físico do C. elegans em resposta à dinâmica dos fluidos em experimentos terrestres. Colocar vermes no espaço em um acelerador 1G aumentou uma cadeia pesada de miosina, mio-3, e um fator de crescimento transformante-β (TGF-β), dbl-1, expressão gênica. Essas mudanças também ocorreram quando os parâmetros fluidodinâmicos viscosidade/resistência ao arrasto ou profundidade da cultura líquida foram aumentados no solo. Além disso, o comprimento do corpo aumentou nos mutantes de colágeno da cutícula da parede do corpo e do tipo selvagem, rol-6 e dpy-5, cultivados em cultura líquida. Em contraste, o comprimento do corpo não aumentou em TGF-β, dbl-1, ou via de sinalização a jusante, sma-4/Smad, mutantes. Da mesma forma, um receptor de dopamina semelhante ao D1, DOP-4, e um canal mecanossensorial, UNC-8, foram necessários para aumentar a expressão de dbl-1 e alterar o físico em cultura líquida. Como as taxas de contração de C. elegans são muito maiores ao nadar em líquido do que ao rastejar em uma superfície de ágar, também examinamos a relação entre o aumento do comprimento do corpo e a taxa de contração. Mutantes com taxas de contração significativamente reduzidas eram tipicamente menores. No entanto, nos mutantes dop-4, dbl-1 e sma-4, as taxas de contração ainda aumentaram em líquido. Esses resultados sugerem que a sinalização neuromuscular via TGF-β/DBL-1 atua para alterar o físico do corpo em resposta às condições ambientais, incluindo a dinâmica dos fluidos.

O físico de um indivíduo é moldado por longos períodos por estímulos externos e marchas locomotoras. A perda de massa óssea e muscular são adaptações fisiopatológicas inevitáveis ​​em microgravidade, por exemplo, voo espacial, e com inatividade, por exemplo, em pessoas acamadas.1–4 A perda desses tecidos é um grande obstáculo para a exploração espacial de longo prazo. A microgravidade, em particular, diminui acentuadamente a carga mecânica e também resulta em mudanças drásticas na dinâmica dos fluidos, incluindo forças hidrostáticas. No entanto, ainda não está claro quais moléculas de sinalização e comportamento(s) causam essas adaptações fisiopatológicas.

O exercício aquático é uma das melhores maneiras de obter força corporal ideal e melhorar o vigor. Tal exercício envolve a aplicação física da dinâmica dos fluidos, particularmente forças hidrostáticas e resistência ao arrasto que acompanham a viscosidade do líquido, e é eficaz não apenas em indivíduos saudáveis, mas também em pacientes acamados.5–10 Embora muitos estudos recentes tenham avaliado os parâmetros dinâmicos do fluxo como estímulos físicos, os mecanismos de percepção desses estímulos e transdução de sinal desses estímulos para a formação de ossos e músculos esqueléticos, físico aprimorado e força permanecem obscuros.

Caenorhabditis elegans é um nematóide de vida livre que também é um animal de laboratório amplamente utilizado. O comprimento do corpo pode ser alterado por meio de uma via de sinalização do fator de transcrição β (TGF-β)/DBL-1 Smad altamente conservado.11–16 C. elegans tem pelo menos dois andamentos locomotores diferentes, um é exibido ao nadar em líquido e o outro ao engatinhar em uma superfície.17–21 A transição da marcha nadadora para a marcha rastejante e vice-versa é controlada por aminas biogênicas como uma resposta adaptativa de curto prazo.21 C. elegans também faz adaptações de curto prazo para locomoção em resposta a estímulos mecânicos suaves por meio de um complexo mecanossensorial composto de canais iônicos degenerados, MEC-4 e MEC-10, encontrados em neurônios sensíveis ao toque.22–25 Os vermes também produzem respostas adaptativas de longo prazo. Por exemplo, descobrimos de forma reprodutível que o voo espacial induz a expressão reduzida de alguns genes musculares,26–29 incluindo filamentos musculares espessos, outros elementos do citoesqueleto e enzimas metabólicas mitocondriais. Essas mudanças na expressão gênica parecem ser consistentes com as mudanças no comprimento do corpo e no acúmulo de gordura durante o voo espacial.29