Die Fluiddynamik verändert die Körperlänge von Caenorhabditis elegans über TGF

npj Microgravity Band 2, Artikelnummer: 16006 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Der Schwund der Skelettmuskulatur ist ein großes Hindernis für die langfristige Erforschung des Weltraums. Ähnlich wie Astronauten zeigt der Fadenwurm Caenorhabditis elegans in der Mikrogravitation im Weltraum negative Auswirkungen auf Muskeln und Körper. Es bleibt unklar, welche Signalmoleküle und Verhaltensweisen diese negativen Veränderungen verursachen. Hier untersuchten wir in bodengestützten Experimenten wichtige Signalmoleküle, die an Veränderungen des Körperbaus von C. elegans als Reaktion auf die Fluiddynamik beteiligt sind. Das Platzieren von Würmern im Weltraum auf einem 1G-Beschleuniger erhöhte die Genexpression der schweren Kette von Myosin, Myo-3, und des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGF-β), dbl-1. Diese Veränderungen traten auch auf, wenn die flüssigkeitsdynamischen Parameter Viskosität/Widerstand oder Tiefe der Flüssigkeitskultur am Boden erhöht wurden. Darüber hinaus nahm die Körperlänge bei Wildtyp- und Körperwand-Cuticula-Kollagenmutanten, rol-6 und dpy-5, zu, die in Flüssigkultur gezüchtet wurden. Im Gegensatz dazu nahm die Körperlänge bei TGF-β-, dbl-1- oder Downstream-Signalweg-Mutanten (sma-4/Smad) nicht zu. In ähnlicher Weise waren ein D1-ähnlicher Dopaminrezeptor, DOP-4, und ein mechanosensorischer Kanal, UNC-8, für eine erhöhte dbl-1-Expression und einen veränderten Körperbau in Flüssigkulturen erforderlich. Da die Kontraktionsraten von C. elegans beim Schwimmen in Flüssigkeit viel höher sind als beim Kriechen auf einer Agaroberfläche, haben wir auch den Zusammenhang zwischen der Vergrößerung der Körperlänge und der Kontraktionsrate untersucht. Mutanten mit deutlich reduzierten Kontraktionsraten waren typischerweise kleiner. Bei dop-4-, dbl-1- und sma-4-Mutanten stiegen die Kontraktionsraten in Flüssigkeit jedoch immer noch an. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die neuromuskuläre Signalübertragung über TGF-β/DBL-1 den Körperbau als Reaktion auf Umweltbedingungen, einschließlich der Flüssigkeitsdynamik, verändert.

Der Körper eines Menschen wird über lange Zeiträume sowohl durch äußere Reize als auch durch den Bewegungsablauf geformt. Knochen- und Muskelschwund sind unvermeidliche pathophysiologische Anpassungen in der Mikrogravitation, z. B. bei Raumflügen, und bei Inaktivität, z. B. im Bett.1–4 Der Schwund dieser Gewebe ist ein großes Hindernis für die langfristige Erforschung des Weltraums. Insbesondere die Mikrogravitation verringert die mechanische Belastung deutlich und führt auch zu drastischen Veränderungen der Fluiddynamik, einschließlich hydrostatischer Kräfte. Es ist jedoch immer noch unklar, welche Signalmoleküle und Verhaltensweisen diese pathophysiologischen Anpassungen verursachen.

Wassergymnastik ist eine der besten Möglichkeiten, eine optimale Körperkraft zu erreichen und die Vitalität zu verbessern. Eine solche Übung beinhaltet die physische Anwendung der Fluiddynamik, insbesondere der hydrostatischen Kräfte und des Widerstandswiderstands, die mit der Flüssigkeitsviskosität einhergehen, und ist nicht nur bei gesunden Personen, sondern auch bei bettlägerigen Patienten wirksam.5–10 Obwohl viele neuere Studien strömungsdynamische Parameter als physische Reize bewertet haben, Die Mechanismen für die Wahrnehmung dieser Reize und die Signalübertragung dieser Reize zur Knochen- und Skelettmuskelbildung sowie zur Verbesserung von Körperbau und Kraft bleiben unklar.

Caenorhabditis elegans ist ein frei lebender Fadenwurm, der auch als Labortier häufig verwendet wird. Die Körperlänge kann über einen hochkonservierten Transforming Growth Factor-β (TGF-β)/DBL-1-Smad-Transkriptionsfaktor-Signalweg verändert werden.11–16 C. elegans hat mindestens zwei verschiedene Bewegungsgänge, einer wird beim Einschwimmen angezeigt Flüssigkeit und das andere beim Kriechen auf einer Oberfläche.17–21 Der Übergang vom Schwimmgang zum Krabbelgang und umgekehrt wird durch biogene Amine als kurzfristige adaptive Reaktion gesteuert.21 C. elegans nimmt auch kurzfristige Anpassungen vor Fortbewegung als Reaktion auf sanfte mechanische Reize durch einen mechanosensorischen Komplex, der aus den Degenerin-Ionenkanälen MEC-4 und MEC-10 besteht, die in berührungsempfindlichen Neuronen zu finden sind.22–25 Würmer zeigen auch langfristige adaptive Reaktionen. Beispielsweise haben wir reproduzierbar herausgefunden, dass die Raumfahrt eine verminderte Expression einiger Muskelgene induziert,26–29 einschließlich dicker Muskelfilamente, anderer Elemente des Zytoskeletts und mitochondrialer Stoffwechselenzyme. Diese Veränderungen der Genexpression schienen mit den Veränderungen der Körperlänge und der Fettansammlung während der Raumfahrt im Einklang zu stehen.29

Diese Studie untersuchte die Veränderung der muskulären Myosin- und TGF-β-Genexpression als Reaktion auf die dynamischen Eigenschaften der Flüssigkeit (Mikrogravitation, Viskosität/Widerstandsfähigkeit und Tiefe der Flüssigkultur). Wir verglichen auch die Beziehung zwischen dem festgestellten Körperbau und dem unterschiedlichen Bewegungsverhalten von Würmern, die in Flüssigkeit und auf einer Feuchtigkeitsagaroberfläche kultiviert wurden, nämlich beim Schwimmen bzw. Kriechen. Schließlich untersuchten wir die Hypothese, dass die neuromuskuläre Signalübertragung über TGF-β/DBL-1 den veränderten Körperbau als Reaktion auf flüssigkeitsdynamische Eigenschaften moduliert.

In unserem C. elegans-RNA-Interferenz-Weltraumexperiment (CERISE) wurden Tiere im L1-Larvenstadium synchron bis zum Erwachsenenalter in flüssigen Medien für 4 Tage entweder in der Schwerelosigkeit oder in einer 1G-Zentrifuge an Bord des japanischen Experimentiermoduls der Internationalen Raumstation kultiviert.30,31 Die Nematoden-L1-Larven wurden am 16. November 2009 an Bord der Raumfähre Atlantis, STS-129, zur Internationalen Raumstation gebracht. Die Kulturen wurden am 20. November 2009 begonnen, vier Tage später eingefroren und die nach der Kultivierung eingefrorenen Proben wurden vom Weltraum zurückgegeben Shuttle Endeavour, STS-130, am 21. Februar 2010. Microarray-Expressionsanalysen zeigen, dass die Werte für dicke Muskelfilamente, Zytoskelettelemente und mitochondriale Stoffwechselenzyme im Vergleich zu Parallelkulturen auf der 1G-Zentrifuge abnahmen (95 %-Konfidenzintervall (P⩽0,05): Zugangsnummer GSE71770 auf GEO).29 Darüber hinaus war die Körperlänge von Würmern, die in der Schwerelosigkeit kultiviert wurden, im Vergleich zu Würmern, die in der 1G-Bordzentrifuge kultiviert wurden, leicht (~5,5 %), aber deutlich geringer.29 In dieser Studie haben wir bestätigt, dass die schwere Kette von Myosin, Die Genexpression von myo-3 und TGF-β, dbl-1 war in der Schwerelosigkeit im Vergleich zur Zentrifuge um 60 % bzw. 70 % reduziert (Abbildung 1a). Diese Beobachtungen legen nahe, dass die Verringerung der Körperlänge auf pathophysiologische Anpassungen an die Mikrogravitation zurückzuführen sein könnte, die durch die Unterdrückung der Transkription von Muskelgenen und/oder eine verringerte TGF-β-Signalübertragung verursacht werden, die durch eine verringerte Expression von dbl-1 verursacht wird.

Die Wiederherstellung von 1G auf der Internationalen Raumstation erhöht die Myo-3- und dbl-1-Genexpression ebenso wie die Erhöhung der Flüssigkeitsviskosität und der Kulturtiefe in bodengestützten Experimenten. Die Expressionsniveaus der Gene myo-3 und dbl-1 wurden in flüssigkeitskultivierten, im Weltraum geflogenen Wildtyp-Tieren (4 Tage erwachsene Tiere) mit oder ohne 1G-Beschleunigung während des C. elegans RNAi-Weltraumexperiments (CERISE) im japanischen Experimentiermodul KIBO30,31 überwacht (A). Wildtyp-Tiere wurden ab dem L1-Larvenstadium 4 Tage lang in unterschiedlichen Flüssigkeitsviskositäten mit 1,0 % (36,1 cSt) und 1,5 % (123,3 cSt) Methylcellulose (b) gezüchtet. Wildtyp-Tiere wurden ab dem L1-Larvenstadium 4 Tage lang auf OP50-Nematoden-Wachstumsmedium (NGM)-Agar gezüchtet, der in die angegebene Tiefe des OP50-NGM-Flüssigmediums eingetaucht war (c). Veränderungen der dbl-1- und myo-3-Genexpression wurden durch quantitative Echtzeit-PCR überwacht.

In bodengestützten Experimenten wurden Wildtyp-Würmer nach dem L1-Larvenstadium vier Tage lang bei unterschiedlichen Flüssigkeitsviskositäten kultiviert, um die Wirkung eines flüssigkeitsdynamischen Parameters, der Widerstandsfähigkeit, auf die Genexpression von myo-3 und dbl-1 zu untersuchen (1,0 cSt (0 % Methylzellulose), 36,1 cSt (1,0 % Methylzellulose) und 123,3 cSt (1,5 % Methylzellulose)). Die Myo-3-Genexpression war bei einer Viskosität von 36,1 cSt signifikant und bei 123,3 cSt moderat erhöht. Die dbl-1-Genexpression stieg bei 123,3 cSt deutlich um ca. 20 % an (Abbildung 1b). Die Wachstumsrate und die Entwicklungszeiten wurden durch die Viskosität nicht wesentlich verändert, da sich alle L1-Larven nach 4 Tagen zu trächtigen, reifen erwachsenen Hermaphroditen entwickelt hatten. Bei trächtigen Erwachsenen nahm die Körperlänge nicht so stark zu wie bei Tieren, die in 1,5 % Methylzellulose gezüchtet wurden, erwartet, was möglicherweise darauf hindeutet, dass höhere Methylzellulosekonzentrationen die Würmer dehydrieren und/oder die Verdauung und Absorption hemmen.

Um die Auswirkungen einer Änderung der Tiefe der Flüssigkultivierung zu untersuchen, wurde OP50-Nematoden-Wachstumsmedium-Agar (NGM) mit zusätzlichem OP50-NGM-Flüssigmedium (0,6, 1,2 oder 1,8 mm tief) bedeckt. Im flachsten Zustand waren die Würmer vollständig mit Flüssigkeit bedeckt und ihr Bewegungsverhalten änderte sich zum Schwimmen. Bei trächtigen Erwachsenen (Tag 4) stieg sowohl die myo-3- als auch die dbl-1-Genexpression mit zunehmender Tiefe der Flüssigkultur (Abbildung 1c), wobei die maximale beobachtete Expression bei 1,2 mm erreicht wurde. Die Körperlängen von Würmern, die in unterschiedlichen Flüssigkeitstiefen kultiviert wurden, waren geringfügig, aber nicht signifikant größer (0,6 mm: 1,35 ± 0,06 mm, 1,2 mm: 1,36 ± 0,07 mm, 1,8 mm: 1,37 ± 0,04 mm, n = 21 Würmer pro Gruppe, P>). 0,1). Diese Ergebnisse zeigen, dass der Fadenwurm C. elegans die Muskel- und TGF-β-Genexpression als Reaktion auf strömungsdynamische Parameter verändern kann. Die Genexpressions- und Körperlängendaten für Würmer, die in unterschiedlichen Tiefen kultiviert wurden, deuten jedoch darauf hin, dass die Reaktion auf die Kulturtiefe entweder gesättigt ist, sobald die Würmer vollständig eingetaucht sind, oder eine Alles-oder-Nichts-Reaktion ist.

Obwohl eine Änderung der strömungsdynamischen Parameter die Myo-3- und dbl-1-Expression erhöhte (Abbildung 1), war das Ausmaß der signifikanten Änderungen als Reaktion auf die Kultivierung in Flüssigkeit am Boden gering. Um weiter zu untersuchen, ob und wie C. elegans die Genexpression und den Körperbau als Reaktion auf unterschiedliche Umweltreize und Bewegungsverhalten verändert, haben wir die Genexpressionsniveaus und die Körperlänge von Wildtyp-Würmern gemessen, die entweder in einem flüssigen Medium mit fester Tiefe gezüchtet wurden oder auf einer feuchten Agaroberfläche, wie unter „Methoden“ beschrieben. Die Kultivierung erfolgte parallel mit L1-Larven, die auf Agarplatten geschlüpft und dann in Flüssigkeit oder auf Agar kultiviert wurden. Die Wachstumsrate und die Entwicklungszeiten unterschieden sich zwischen den Kulturbedingungen nicht wesentlich, da sich alle Larven drei Tage nach Beginn der Kultivierung zu jungen erwachsenen Hermaphroditen entwickelt hatten, was durch den Beginn der Eiproduktion belegt wurde. Allerdings war die Körperlänge am Tag 4 (trächtiges Erwachsenenstadium) bei Tieren, die in flüssigem Medium kultiviert wurden, deutlich länger als auf feuchtem Agar (Abbildung 2a,b); Dieser Unterschied blieb auch zu den späteren Zeitpunkten bestehen (5 und 6 Tage; Abbildung 2c). Die Expressionsniveaus eines Myosin-Schwerkette-Gens, myo-3, und seines vorgeschalteten Transkriptionsfaktors, hlh-1, waren bei Tieren, die in Flüssigkeit kultiviert wurden, ebenfalls signifikant höher als auf Agar (Abbildung 2d, e). Die Myosin-Protein-Expressionswerte waren bei Tieren, die in Flüssigkeit kultiviert wurden, im Vergleich zu Tieren, die auf Agar kultiviert wurden, in ähnlicher Weise um das 1,6-fache erhöht (1,24-fach in Flüssigkeit und 0,78-fach auf Agar im Vergleich zum relativen Verhältnis eines ribosomalen Proteins).

Veränderungen der Körperlänge und der Genexpressionsniveaus von myo-3 und hlh-1 in C. elegans, gezüchtet unter verschiedenen Kulturbedingungen. Gravider erwachsener Hermaphrodit vom Wildtyp, der ab dem L1-Larvenstadium 4 Tage lang auf feuchter Agarplatte (a, rosa dargestellt) oder in Flüssigkultur (b, blau dargestellt) gezüchtet wird. (c) Die Körperlänge wurde durch Flüssigkeitskultur im Vergleich zur Agarkultur signifikant erhöht. Veränderungen der Genexpressionsniveaus von myo-3 (d) und hlh-1 (e) wurden durch quantitative Echtzeit-PCR überwacht. Datenpunkte und Fehlerbalken geben den Mittelwert ± SD an (n = 60 Würmer pro Zeitpunkt, ** P ≤ 0,01).

DBL-1 ist ein Mitglied der TGF-β-Proteinfamilie. Es ist zusammen mit seinem Signalweg ein bekannter Regulator der Körperlänge von C. elegans.11–16 Um festzustellen, ob DBL-1 für die beobachtete Änderung der Körperlänge erforderlich war, haben wir die Länge von dbl-1 (Woche 70) und ( nk3)-Mutanten nach Kultivierung in Flüssigkeit oder auf Agar. Wir haben auch sma-4(e729)-Mutanten gemessen, da SMA-4 eine bekannte Downstream-Transkriptionsfaktor-Komponente der DBL-1-Signalkaskade ist, die die Körpergröße steuert. Im Gegensatz zum Wildtyp (Abbildungen 2 und 3) nahm die Körperlänge dieser Mutanten in Flüssigkultur nicht zu (Abbildung 3), was darauf hindeutet, dass dbl-1 und sma-4 für die Körperlängenänderung als Reaktion auf Flüssigkultur erforderlich sind .

DBL-1 und sein Signalweg sind für Veränderungen der Körperlänge von C. elegans als Reaktion auf Flüssigkulturbedingungen erforderlich. dbl-1(wk70) trächtiger erwachsener Hermaphrodit, der ab dem L1-Larvenstadium 4 Tage lang auf feuchten Agarplatten (a) oder in Flüssigkultur (b) gezüchtet wurde. (c) Die Körperlängen von Wildtyp, dbl-1(wk70), dbl-1(nk3) und sma-4(e729), die 4 Tage lang in Flüssigkeit oder auf Agar gezüchtet wurden, wurden gemessen. Balken und Fehlerbalken geben den Mittelwert und die Standardabweichung an (n=30 Würmer pro Bedingung; **P≤0,01).

Da frühere Arbeiten berichteten, dass DBL-1 die Expression mehrerer Gene steuert, einschließlich derjenigen, die für extrazelluläre Matrix-assoziierte Kollagene kodieren, untersuchten wir als nächstes, ob Flüssigkultur Dumpy- und Roller-Phänotypen in Kollagenmutanten unterdrückt. Die Körperlängen der Dumpy-dpy-5(e907)- und rol-6(su1006)-Mutanten waren in der Flüssigkultur im Vergleich zur Agarkultur deutlich erhöht (Abbildung 4a–d). Darüber hinaus wurde die Häufigkeit des durch rol-6 (su1006) induzierten Rechtshänder-Roller-Phänotyps durch Flüssigkultur verringert (Abbildung 4b). Zusammengenommen deuten die in den Abbildungen 1, 2 und 3 dargestellten Ergebnisse darauf hin, dass die Flüssigkultur den Körperbau von C. elegans über die Aktivierung des TGF-β/DBL-1-Signals verändert (Abbildung 3), und nicht nur im Hinblick auf die Muskel-Myosin-Expression (Abbildung 2). ), sondern auch im Hinblick auf die Ablagerung von extrazellulärer Matrix/Kollagen (Abbildung 4).

Dumpy- und Roller-Phänotypen werden durch Flüssigkultur gemildert. dpy-5(e907) (a, b) und RW1596 rol-6 (su1006) und Pmyo-3::GFP::myo-3 (c, d), Tiere wurden auf feuchtem Agar (a, c) oder gezüchtet in Flüssigkultur (b, d) für 4 Tage, beginnend mit dem L1-Larvenstadium. (e) Ihre Körperlängen wurden gemessen. (f) Die Häufigkeit des Rechtshänder-Roller-Phänotyps in RW1596 wurde gezählt. Balken und Fehlerbalken geben den Mittelwert und die SD an (n=30 Würmer pro Bedingung; *P≤0,05, **P≤0,01).

In C. elegans fungiert ein aus MEC-4 und MEC-10 bestehender Degenerin/Epithel-Natriumionenkanal als Mechanosensor für physikalische Reize (z. B. Berührung).22–25 Es sollte festgestellt werden, ob Mitglieder der Degenerinfamilie als Mechanosensoren als Reaktion auf Flüssigkeit fungieren Dynamische Parameter und Veränderungen der Körperlänge als Reaktion auf Flüssigkultur wurden in Degenerinkanalmutanten (mec-4(e1611), mec-10(e1515) und unc-8(e15)) bewertet. Während sowohl mec-4(e1611) als auch mec-10(e1515) als Reaktion auf die Flüssigkultur eine erhöhte Körperlänge zeigten, zeigte unc-8(e15) keine signifikante Zunahme der Körperlänge (Abbildung 5).

UNC-8-Degenerin ist für Veränderungen der Körperlänge von C. elegans erforderlich. mec-4(e1611), mec-10(e1515) und unc-8(e15) wurden ab dem L1-Larvenstadium 4 Tage lang in Flüssig- oder Agarkultur gezüchtet. Körperlängen wurden gemessen. Balken und Fehlerbalken geben den Mittelwert und die Standardabweichung an (n=30 Würmer pro Bedingung; **P≤0,01).

Der Übergang von C. elegans zwischen den ausgeprägten Krabbel- und Schwimmgangarten wird durch die biogenen Amine Dopamin und Serotonin gesteuert.21 Daher haben wir Körperlängenveränderungen bei Tieren mit Mutationen in Genen gemessen, die für das Serotonin-Biosyntheseenzym tph-1(mg280) kodieren. ein Mitglied der Serotonin/Octopamin-Rezeptorfamilie, ser-5(ok3087), und die D1-ähnlichen Dopaminrezeptoren, dop-1(vs101) und dop-4(tm1329). dop-4(tm1329) zeigte keine kulturabhängigen Veränderungen der Körperlänge (Abbildung 6), was darauf hindeutet, dass DOP-4 auch für Veränderungen des Körperbaus erforderlich ist. Im Gegensatz dazu waren die Körperlängen in der Flüssigkultur gegenüber der Agarkultur für tph-1 (mg280), ser-5 (ok3087) und dop-1 (vs101) signifikant erhöht (Abbildung 6). Als nächstes untersuchten wir den Einfluss anderer Faktoren auf die Körperlänge im Flüssigkultursystem, beginnend mit der Sauerstoff- und Nährstofferkennung. Dazu verwendeten wir Tiere mit Mutationen in Genen, die für den Hypoxie-Response-Faktor hif-1(ia4), ein Insulin/IGF-1-ähnliches Peptid, ins-7(ok1573), und einen wichtigen Transkriptionsregulator kodieren, der stromabwärts von Insulin wirkt /IGF-1-vermittelte Signalübertragung, daf-16(mu86). In allen Fällen nahm die Körperlänge als Reaktion auf die Flüssigkultur dieser Mutanten zu (Abbildung 6). Eine Ryanodinrezeptor-unc-68(r1161)32-Mutante, die träge und schlaff ist, zeigte in Flüssigkultur ebenfalls eine erhöhte Körperlänge (Abbildung 6). Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Veränderung des Körperbaus von C. elegans als Reaktion auf die Flüssigkultur eine gewisse neuromuskuläre Signalübertragung erfordert, sich jedoch weitgehend von der Sauerstoff- und Nährstoffwahrnehmung unterscheidet.

Mehrere C. elegans-Mutanten zeigen eine Zunahme der Körperlänge des Wildtyps in Flüssigkeitskultur im Vergleich zur Agarkultur. Von allen getesteten Mutanten gelang es nur dop-4(tm1329) nach 4 Tagen in Flüssigkultur nicht, seine Körperlänge zu erhöhen (n=30 Würmer pro Bedingung; **P≤0,01).

Schließlich untersuchten wir, ob die bei schwimmenden Würmern beobachteten erhöhten Kontraktionsraten an der Vergrößerung der Körperlänge beteiligt waren. Der dorsale und ventrale (DV) Kopfbeugezyklus wurde in verschiedenen Mutanten gezählt (Tabelle 1): TGF-β-Signalisierung (dbl-1 und sma-4); ein Degenerin-Kanal (unc-8); ein D1-ähnlicher Dopaminrezeptor (dop-4); und ein Ryanodin-Rezeptor (unc-68). unc-8(e15) kräuselte sich häufig abnormal und veränderte den DV-Zyklus weder in der Flüssigkeit noch auf der Agarplatte. Dies entsprach dem Mutanten, der beim Schwimmen nicht den normalen Anstieg des Zyklus zeigte (Tabelle 1). Im Gegensatz dazu unterschieden sich andere Degenerin-Mutanten, mec-4 und mec-10, nicht signifikant vom Wildtyp in Bezug auf Bewegung oder Zyklusanstieg als Reaktion auf Schwimmbewegungen (mec-4 (e1611): 0,53 ± 0,15 Hz auf Agar und 1,56 ± 0,19 Hz). Hz in Flüssigkeit; mec-10 (e1515): 0,53 ± 0,19 und 1,53 ± 0,13 Hz, P > 0,1). Diese Beobachtungen legen nahe, dass Mutanten, die keine Zunahme der Körperlänge zeigen (z. B. unc-8), auch keine Zunahme des DV-Zyklus beim Schwimmen zeigen. Die Mutanten des TGF-β-Signals (dbl-1 und sma-4) und des D1-ähnlichen Dopaminrezeptors (dop-4), die ebenfalls keine Zunahme der Körperlänge zeigten, zeigten jedoch tatsächlich eine Zunahme der DV Zyklus beim Schwimmen. Obwohl eine Erhöhung des DV-Zyklus beim Schwimmen für eine Körperlängenzunahme nicht ausreicht (z. B. dbl-1, dop-4 und sma-4), kann sie dennoch erforderlich sein (z. B. unc-8).

Um den Bedarf an TGF-β-Signalisierung weiter zu beurteilen, haben wir die Genexpression von TGF-β, dbl-1 und seinem Downstream-Signal, wrt-4, quantitativ gemessen.33 Wie in Tabelle 1 gezeigt, unc-8(e15) und dop-4( tm1392), dessen Körperlänge als Reaktion auf die Flüssigkultur nicht zunahm (Abbildungen 5 und 6), zeigte keine Induktion von dbl-1 oder wrt-4. Diese Ergebnisse legen nahe, dass unc-8 und dop-4 vor dbl-1 wirken, um die Reaktion auf die Kultivierung in Flüssigkeit zu steuern. In Übereinstimmung damit zeigten dbl-1 und sma-4 zwar eine Induktion von dbl-1, vermutlich weil die vorgeschalteten Sensoren in diesen Mutanten intakt sind, zeigten jedoch keine Induktion von wrt-4, was bestätigt, dass die TGF-β-Signalisierung für wrt-4 erforderlich ist. 4 Induktion als Reaktion auf Flüssigkeitskultivierung. Im Gegensatz dazu erhöhte unc-68(r1161) die Körperlänge und die Genexpression (Tabelle 1, Abbildungen 5 und 6). Diese Ergebnisse legen nahe, dass zur Verlängerung der Körperlänge in Flüssigkulturen (1) die TGF-β/DBL-1-Signalisierung wesentlich ist, aber (2) die Erhöhung des DV-Zyklus durch Schwimmverhalten notwendig sein kann, aber nicht ausreicht.

C. elegans ist ein frei lebender Fadenwurm, der im Boden und in verrottender Vegetation vorkommt und auf Partikeln mit feuchten Oberflächen und in Gewässern überdauert. C. elegans weist mindestens zwei unterschiedliche Fortbewegungsarten auf: Schwimmen in Flüssigkeiten und Kriechen auf Oberflächen.17–21 Die Oberflächenspannung ist erforderlich, um C. elegans auf feuchten Oberflächen festzuhalten, und liegt voraussichtlich in der Größenordnung von 10.000 × G.28 ,34,35 Somit ist der Krabbelgang auf Oberflächen wahrscheinlich auf die größeren Kräfte zurückzuführen, die durch die Oberflächenspannung im Vergleich zur Strömungsdynamik in Flüssigkeit verursacht werden.20 Der Krabbelgang wird durch große äußere Belastungen ausgelöst, und es wird erhebliche Muskelkraft eingesetzt, um der äußeren Belastung entgegenzuwirken und den Körper bewegen. Diese Vermutung wird dadurch gestützt, dass zuvor mit zunehmender Flüssigkeitsviskosität ein kontinuierlicher Gangübergang zwischen Wellenbewegungen beobachtet wurde, die entweder dem Schwimmen oder dem Kriechen ähneln.20

Diese Beobachtungen erklären jedoch nicht vollständig, warum der Körperbau von C. elegans in Flüssigkeit im Vergleich zu Agar signifikant verändert ist. Der Gangwechsel muss zwangsläufig eine kurzfristige adaptive Reaktion sein, wohingegen eine Veränderung des Körperbaus normalerweise eine langfristige adaptive Reaktion ist.

Krabbeln und Schwimmen sind ganz unterschiedliche Verhaltensweisen. C. elegans, der auf feuchtem Agar kriecht, zeigt dorsoventrale Biegungen einer S-förmigen Haltung mit einer durchschnittlichen Amplitude von 135° bei einer Frequenz von 0,5–0,8 Hz.18,21 Im Gegensatz dazu zeigen schwimmende C. elegans dorsoventrale Biegungen einer C-förmigen Haltung Haltung mit einer durchschnittlichen Amplitude von 45° bei einer Frequenz von 1,7–2,1 Hz.18,21 Darüber hinaus schwimmt C. elegans kontinuierlich über längere Zeiträume, 45 Minuten länger.21 Diese quantitativ unterschiedlichen Verhaltensweisen in Bezug auf Frequenz, Amplitude und Ausbreitung dorsoventraler Biegungen kann ausgeprägte langfristige adaptive Reaktionen hervorrufen, die die Genexpression verändern, um einen Körperbau zu formen, der am besten an die Umgebung angepasst ist.

Bei einer Kultivierung in Flüssigkeit erhöhten sich die Körperlänge und die Expressionsniveaus des Myosin-Schwerkette-Gens Myo-3 und seines Transkriptionsaktivators hlh-1 (MyoD) im Vergleich zu einer Kultivierung auf Agar. Dies scheint eine langfristige adaptive Reaktion auf das Wachstum in der flüssigen Umgebung zu sein. Ein wichtiger Signalweg, von dem bereits bekannt ist, dass er die Körperlänge von C. elegans moduliert, der TGF-β/DBL-1-Signalweg,11–16 war sowohl für die Körperveränderung als Reaktion auf die Flüssigkeitskultivierung erforderlich und wurde als Reaktion auf die Flüssigkeitskultivierung transkriptionell induziert. Die Induktion der dbl-1-Expression als Reaktion auf die Flüssigkultur scheint auf die Fluiddynamik zurückzuführen zu sein, da die dbl-1-Expression sowohl durch die Erhöhung der Viskosität als auch der Tiefe der Flüssigkultur induziert wurde (Abbildung 1). Interessanterweise wurde die dbl-1-Expression durch Flüssigkultur in einer 1G-Zentrifuge an Bord der Internationalen Raumstation im Vergleich zur Mikrogravitation im Weltraum induziert (Abbildung 1). Es ist möglich, dass ein erhöhter hydrostatischer Druck auf die mit 1G-Beschleunigung im Weltraum kultivierten Würmer die dbl-1-Expression beeinflusst hat. Da wir den hydrostatischen Druck nicht gemessen haben, sind zukünftige Experimente zur Untersuchung der Veränderung der dbl-1-Expression als Reaktion auf den hydrostatischen Druck erforderlich.

In C. elegans fungieren Mitglieder der Degenerin-/epithelialen Na+-Kanalfamilie als Mechanosensoren für verschiedene physikalische Reize. Daher waren wir neugierig, ob sie möglicherweise die Fluiddynamik erfassen und möglicherweise die dbl-1-Expression beeinflussen. MEC-4 und MEC-10 bilden einen Heterokomplex aus ionenporenbildenden Untereinheiten in berührungsempfindlichen Neuronen22–24 und dieser Komplex ist für die Reaktion auf Hypergravitation von wesentlicher Bedeutung.25 Unser Ergebnis ist jedoch, dass die Körpergröße in Flüssigkultur auch ohne diese zunimmt Der MEC-4/10-Heterokomplex legt nahe, dass dieser Komplex nicht für die Veränderung des Körperbaus als Reaktion auf die Fluiddynamik erforderlich ist. Stattdessen stellten wir fest, dass andere Mitglieder der Degenerin-/Epithel-Na+-Kanalfamilie, insbesondere UNC-8, für eine veränderte Konstitution als Reaktion auf die Fluiddynamik erforderlich sind (Abbildung 1). Dies deutet darauf hin, dass sie möglicherweise als auf Flüssigkeit reagierende Mechanorezeptoren fungieren. UNC-8 wird in Motoneuronen des ventralen Rückenmarks exprimiert.36–38 Darüber hinaus wird TGF-β/DBL-1, das die Körpergröße von C. elegans dosisabhängig reguliert, hauptsächlich in Motoneuronen und dem Nervenring exprimiert;12 die bekannte Stelle Der dbl-1-Ausdruck stimmt weitgehend mit dem bekannten Ort der UNC-8-Wirkung überein. Daher könnte der UNC-8-Degenerin-Komplex physische Reize aufgrund von Kulturbedingungen und/oder Veränderungen der Körperhaltung und/oder Spannungen, die durch unterschiedliche Gangarten erzeugt werden, wahrnehmen, was zu einer Hochregulierung von DBL-1 führt. Der hochregulierte DBL-1-Ligand wirkt dann über bekannte Mechanismen auf Muskel- und Unterhautzellen, um den Körperbau zu kontrollieren, indem er die Expression von Muskelmyosin und Nagelhautkollagen erleichtert.

Als weitere Möglichkeit könnte Schwimmverhalten notwendig sein, um den Körperbau zu verändern, da unc-8(e15)-Mutanten ihr normales Bewegungsverhalten sowohl in Flüssigkeit als auch auf einer Agaroberfläche vollständig verlieren (Tabelle 1). Da die Fluiddynamik, insbesondere hydrostatische Kräfte und der mit der Flüssigkeitsviskosität einhergehende Widerstand, die Knochen- und Skelettmuskelbildung bei weniger aktiven Menschen fördern5–10, waren wir neugierig, ob dies auch für weniger aktive Würmer gilt. Tatsächlich zeigte eine träge und schlaffe Mutante, unc-68, als Reaktion auf Flüssigkultur eine Zunahme der Körperlänge (Abbildung 6). Dies deutet nicht nur darauf hin, dass ein aktivitätsunabhängiger Fluiddynamikeffekt, möglicherweise Auftrieb, der die Mobilität erleichtert, zwischen C. elegans und dem Menschen evolutionär konserviert zu sein scheint, sondern auch, dass C. elegans ein geeignetes Modell für die Untersuchung und Bekämpfung der Auswirkungen von Inaktivität sein könnte auf den menschlichen Muskel.

Neuere Arbeiten haben aufgeklärt, dass C. elegans biogene Amine (Dopamin und Serotonin) einsetzt, um den Gangübergang zwischen Krabbeln und Schwimmen zu steuern,21 eine kurzfristige Anpassung. Dopamin ist notwendig, um nach dem Schwimmen im Wasser das Krabbeln an Land einzuleiten und aufrechtzuerhalten, und Serotonin ist notwendig, um vom Krabbel- zum Schwimmverhalten überzugehen. Wir waren neugierig, ob diese kurzfristige Anpassung auch eine Rolle bei der langfristigen Anpassung des Körperbaus spielt. Während Mutationen in dop-1, ser-5 und tph-1 als Reaktion auf Flüssigkultur eine Zunahme der Körperlänge des Wildtyps zeigten, zeigten Dop-4-Mutanten keine Längenzunahme. Dies legt nahe, dass DOP-4 nicht nur für die kurzfristige Ganganpassung, sondern auch für die langfristige Anpassung des Körperbaus an die Flüssigkultur erforderlich ist. DOP-4 ist ein D1-ähnlicher Dopaminrezeptor, der bekanntermaßen an der alkoholbedingten Enthemmung bestimmter Verhaltensweisen beteiligt ist, darunter Nahrungssuche und Krabbelhaltung im Wasser.39 Somit könnte DOP-4 als Schlüsselkomponente für die Anpassung an C. elegans fungieren auf aquatische Umgebungen, die sowohl an kurzfristigen als auch an langfristigen Anpassungsreaktionen beteiligt sind.

C. elegans, das wie in der Wildnis in Flüssigkeit wächst, kann anfällig für Hypoxie und eingeschränkte Ernährung sein. Wir haben daher untersucht, ob diese Faktoren zu einer erhöhten Körperlänge in Flüssigkulturen beitragen könnten. Allerdings reagierten die Mutationen in hif-1, ins-7 und daf-16 alle wie Wildtypen, was darauf hindeutet, dass weder die Sauerstoff- noch die Ernährungswahrnehmung zur erhöhten Körperlänge beitrug. Dies ist möglicherweise nicht überraschend, wenn man bedenkt, dass UNC-8 und/oder DOP-4 offenbar die Fluiddynamik wahrnehmen und dass sich der Wildtyp und alle anderen getesteten Mutanten in Flüssigkeits- oder Agarkultur mit der gleichen Geschwindigkeit entwickelten.

Zusammenfassend legen unsere Ergebnisse nahe, dass UNC-8 und/oder DOP-4 als neuronale Sensoren/Transmitter für flüssigkeitsdynamische Eigenschaften einschließlich Viskosität/Widerstand und möglicherweise hydrostatischen Druck fungieren könnten. Es scheint, dass die Aktivierung dieser neuronalen Sensoren/Transmitter durch flüssigkeitsdynamische Eigenschaften die Expression von dbl-1 erhöht, um die DBL-1-Signalübertragung zu verstärken, was zu einer Zunahme der Körpergröße und der Expression von Muskelproteinen führt.

Als Wildtyp wurde der Stamm C. elegans N2 Bristol verwendet. Die Mutantenstämme waren wie folgt: BC15777-Derivat: dpy-5(e907); RW1596: myo-3(st386), stEx30 [myo-3p::GFP+rol-6(su1006)]; LT121: dbl-1(wk70); NU3: dbl-1(nk3); DR1369: sma-4(e729); CB1611: mec-4(e1611); CB1515: mec-10(e1515); CB15: unc-8(e15); ZG31: hif-1(ia4); CF1038: daf-16(mu86); RB1388: ins-7(ok1573); GR1321: tph-1(mg280); RB2277: ser-5(ok3087); LX636: dop-1(vs101); FG58: dop-4(tm1392); und TR2170: unc-68(r1161). Diese Stämme wurden vom Caenorhabditis Genetics Center (University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA) bezogen.

Dreißig bis fünfzig Wildtyp- oder mutierte adulte Hermaphroditen wurden auf eine frisch zubereitete Agarplatte mit Nematoden-Wachstumsmedium (NGM) (ϕ6-cm-Kunststoffkulturschale) übertragen, auf deren Oberfläche der Escherichia-coli-Stamm OP50 als Nahrungsquelle verteilt war. Erwachsene durften 4 Stunden lang bei 20 °C Eier legen; Dies ergab mindestens 500 Eier auf jedem Teller. Erwachsene und die bakterielle Nahrungsquelle wurden durch dreimaliges sanftes Pipettieren mit 2 ml M9-Puffer von der Platte abgewaschen. Die restlichen Eier wurden weitere 12 Stunden bei 20 °C belassen, woraufhin die geschlüpften L1-Larven in 500 μl M9-Puffer gesammelt wurden. Sechzig L1-Larven pro Bedingung wurden gleichzeitig bei 20 °C entweder auf einer OP50 NGM-Agarplatte oder in einem 2 ml flüssigen NGM-Kultursystem mit E. coli OP50 (OD600 = 1,0; Flüssigkeitstiefe = 0,8 mm) in einem 6-cm-Kunststoff kultiviert Kulturgericht. Drei Tage nach der Kultivierung waren der Wildtyp und alle anderen in dieser Studie getesteten Mutanten zum jungen Erwachsenenalter herangewachsen, was durch den Beginn der Eiproduktion belegt wurde; dies wurde unter beiden Kulturbedingungen beobachtet. Um ein Verhungern zu verhindern, wurden erwachsene Tiere mit einem 0,2-mm-Platindraht gepflückt und jeden Tag in ein neues Medium überführt; Transfers fanden für beide Kulturbedingungen statt.

Um die Auswirkungen der Flüssigkeitsviskosität auf die Genexpression zu untersuchen (siehe unten), wurden Endkonzentrationen von 1,0 und 1,5 % Methylcellulose in 2,0 ml NGM-Flüssigmedium mit E. coli OP50 (OD600=1,0) verwendet. Die kinetischen Viskositäten, gemessen mit einem Viskosimeter Visoboy2 (LAUDA, Deutschland), betrugen 1,0 cSt (mm2/s) für die Kontrollflüssigkeit OP50 NGM, 36,1 cSt für die 1,0 %ige Methylzellulose und 123,3 cSt für die 1,5 %ige Methylzellulose.

Um die Auswirkungen der Tiefe der Flüssigkultivierung zu untersuchen, wurde OP50 NGM-Agar in 6-cm-Platten zusätzlich mit 1,5 ml (~0,6 mm tief), 3,0 ml (~1,2 mm tief) oder 4,5 ml (~1,8 mm tief) bedeckt in der Tiefe) von NGM-Flüssigmedium, das E. coli OP50 (OD600=1,0) enthält. Von L1 bis zum Erwachsenenalter sind alle Tiere vollständig bedeckt und zeigten selbst im flachsten Zustand Schwimmverhalten.

Die Körperlänge von C. elegans wurde im jungen Erwachsenenalter (3 Tage nach Beginn als L1-Larve) und in den folgenden 3 Tagen bewertet. Jeden Tag wurde eine Untergruppe kultivierter Tiere 30 Minuten lang bei Raumtemperatur mit 1 % Paraformaldehyd fixiert und mit einem BX51-Mikroskop und einer DP71-Kamera (Olympus Optical, Tokio, Japan) abgebildet. Die Körperlängen wurden mit der Bildanalysesoftware CellSens (Olympus) gemessen. Jedes Experiment wurde dreifach mit drei unabhängigen Proben durchgeführt (insgesamt n = 60 Würmer pro Zeitpunkt). Die statistische Analyse wurde in MS Excel (Microsoft Co., Redmond, WA, USA) durchgeführt. Die statistische Signifikanz wurde unter Verwendung eines zweiseitigen Student-T-Tests auf P<0,05 festgelegt.

Jeder Test wurde an 10 nie ausgehungerten erwachsenen Würmern 4 Tage nach L1-Larven durchgeführt, die in Flüssigkeit oder auf einer Feuchtigkeitsagarplatte kultiviert wurden. Der DV-Kopfbiegezyklus wurde 30 Sekunden lang unter Stereomikroskopie als Kontraktionsrate beim Schwimmen oder Kriechen unmittelbar nach dem Antippen jeder Kulturplatte gezählt.

Die Gesamt-RNA wurde am angegebenen Kultivierungstag aus etwa 300 erwachsenen Hermaphroditen unter Verwendung von TRIzol (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) isoliert. Die quantitative Echtzeit-PCR-Analyse wurde mit einem CFX96 Touch Real-Time PCR System (Bio-Rad Laboratories, Hercules, CA, USA) und einem SYBER ExScript RT-PCR Kit (TaKaRa Bio, Shiga, Japan) durchgeführt. Das Expressionsniveau des Elongationsfaktors eef-2 wurde als interner Standard verwendet und das relative Verhältnis der Genexpression für jedes Gen wurde wie beschrieben berechnet.40 Die folgenden Primersätze wurden zur Amplifikation von eef-2, hlh-1, myo- verwendet. 3, dbl-1 und wrt-4: eef-2 (vorwärts) 5′-GAC GCT ATC CAC AGA GGA GG-3′ und (rückwärts) 5′-TTC CTG TGA CCT GAG ACT CC-3′; hlh-1 (vorwärts) 5′-GCT CGG GAA CGC GGT CGA-3′ und (rückwärts) 5′-GGA ATG CTC GCA ACG ATC CGC GA-3′; myo-3 (vorwärts) 5′-ACT CTC GAA GCC GAA ACC AAG-3′ und (rückwärts) 5′-TGG CAT GGT CCA AAG CAA TC-3′; dbl-1 (vorwärts) 5′-CAG TTT GGC TTC GAT TGC TC-3′ und (rückwärts) 5′-TGA AGC TGG TCC TCT GTC TG-3′; und bzgl. 4 (vorwärts) 5′-TGG ATG AGC TCG CAG TGG-3′ und (rückwärts) 5′-CTC CGT TGT CAA GTG TGA ATT CTA C-3′. Für jede biologische Probe wurden Echtzeit-PCR-Experimente in dreifacher Ausfertigung durchgeführt.

Wir haben auch die Expressionsniveaus einiger Gene in 4 Tage alten Wildtyp-Erwachsenen im Weltraumflug vom CERISE aus gemessen.30,31

Leblanc, AD et al. Knochenmineralverlust und Erholung nach 17 Wochen Bettruhe. J. Knochen. Bergmann. Res. 8, 843–850 (1990).

Google Scholar

LeBlanc, AD et al. Regionale Veränderungen der Muskelmasse nach 17 Wochen Bettruhe. J. Appl. Physiol. 73, 2172–2178 (1992).

Artikel CAS Google Scholar

Morey, ER & Baylink, DJ Hemmung der Knochenbildung während der Raumfahrt. Science 201, 1138–1141 (1978).

Artikel CAS Google Scholar

Caiozzo, VJ, Baker, MJ, Herrick, RE, Tao, M. & Baldwin, KM Wirkung der Raumfahrt auf die Skelettmuskulatur: mechanische Eigenschaften und Myosin-Isoformgehalt eines langsamen Muskels. J. Appl. Physiol. 76, 1764–1773 (1994).

Artikel CAS Google Scholar

Becker, BE Wassertherapie: Wissenschaftliche Grundlagen und klinische Rehabilitationsanwendungen. PM R 1, 859–872 (2009).

Artikel Google Scholar

Jung, J., Chung, E., Kim, K., Lee, BH & Lee, J. Die Auswirkungen von Wasserübungen auf die Lungenfunktion bei Patienten mit Rückenmarksverletzungen. J. Phys. Dort. Wissenschaft. 26, 707–709 (2014).

Artikel Google Scholar

Kaneda, K., Wakabayashi, H., Sato, D. & Nomura, T. Muskelaktivität der unteren Extremitäten bei verschiedenen Arten und Geschwindigkeiten von Unterwasserbewegungen. J. Physiol. Anthropol. 26, 197–200 (2007).

Artikel Google Scholar

Silvers, WM & Dolny, DG Vergleich und Reproduzierbarkeit von sEMG bei manuellen Muskeltests an Land und im Wasser. J. Elektromyogr. Kinesiol. 21, 95–101 (2011).

Artikel Google Scholar

Masumoto, K., Shono, T., Hotta, N. & Fujishima, K. Muskelaktivierung, kardiorespiratorische Reaktion und Bewertung der wahrgenommenen Anstrengung bei älteren Probanden beim Gehen im Wasser und an Land. J. Elektromyogr. Kinesiol. 18, 581–590 (2008).

Artikel Google Scholar

Alberton, CL et al. Kardiorespiratorische Reaktionen auf stationäres Laufen mit unterschiedlichen Trittfrequenzen im Wasser und an Land. J. Sports Med. Physik. Fitness 49, 142–151 (2009).

CAS PubMed Google Scholar

Savage, C. et al. Die Gene sma-2, sma-3 und sma-4 von Caenorhabditis elegans definieren eine konservierte Familie von Komponenten des transformierenden Wachstumsfaktor-Beta-Signalwegs. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 93, 790–794 (1996).

Artikel CAS Google Scholar

Suzuki, Y. et al. Ein BMP-Homolog fungiert als dosisabhängiger Regulator der Körpergröße und der männlichen Schwanzmuster bei Caenorhabditis elegans. Entwicklung 126, 241–250 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

Morita, K., Chow, KC & Ueno, N. Regulierung der Körperlänge und der Bildung männlicher Schwanzstrahlmuster von Caenorhabditis elegans durch ein Mitglied der TGF-beta-Familie. Entwicklung 126, 1337–1347 (1999).

CAS PubMed Google Scholar

Maduzia, LL et al. lon-1 reguliert die Körpergröße von Caenorhabditis elegans stromabwärts des dbl-1-TGF-Beta-Signalwegs. Entwickler Biol. 246, 418–428 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Savage-Dunn, C. TGF-β-Signalisierung. Verfügbar unter: http://www.wormbook.org/chapters/www_tgfbsignal/tgfbsignal.pdf (Zugriff am 9. September 2005).

Liang, J., Yu, L., Yin, J. & Savage-Dunn, C. Transkriptionsrepressor- und Aktivatoraktivitäten von SMA-9 tragen unterschiedlich zu BMP-bezogenen Signalausgängen bei. Entwickler Biol. 305, 714–725 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Korta, J., Clark, DA, Gabel, CV, Mahadevan, L. & Samuel, AD Mechanosensation und mechanische Belastung modulieren den Bewegungsgang schwimmender C. elegans. J. Exp. Biol. 210, 2383–2389 (2007).

Artikel Google Scholar

Pierce-Shimomura, JT et al. Genetische Analyse der Krabbel- und Schwimmbewegungsmuster bei C. elegans. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 105, 20982–20987 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Berri, S., Boyle, JH, Tassieri, M., Hope, IA & Cohen, N. Die Vorwärtsbewegung des Nematoden C. elegans wird durch Modulation eines einzelnen Gangs erreicht. HFSP J. 3, 186–193 (2009).

Artikel Google Scholar

Fang-Yen, C. et al. Biomechanische Analyse der Ganganpassung beim Nematoden Caenorhabditis elegans. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 107, 20323–20328 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Vidal-Gadea, A. et al. Caenorhabditis elegans wählt über Dopamin und Serotonin bestimmte Krabbel- und Schwimmgangarten aus. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 108, 17504–17509 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Bianchi, L. & Driscoll, M. Protonen am Tor: DEG/ENaC-Ionenkanäle helfen uns beim Fühlen und Erinnern. Neuron 34, 337–340 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Goodman, MB & Schwarz, EM Übertragende Berührung bei Caenorhabditis elegans. Annu. Rev. Physiol. 65, 429–452 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Hong, K. & Driscoll, M. Eine Transmembrandomäne der mutmaßlichen Kanaluntereinheit MEC-4 beeinflusst Mechanotransduktion und Neurodegeneration in C. elegans. Nature 367, 470–473 (1994).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, N. et al. Die vom MEC-4/MEC-10 DEG/ENaC-Kanal übertragene Schwerkraft moduliert die DAF-16/FoxO-Aktivität bei Caenorhabditis elegans. Genetics 177, 835–845 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Higashibata, A. et al. Während der Raumfahrt kam es zu einer verminderten Expression myogener Transkriptionsfaktoren und schwerer Myosinketten in den Muskeln von Caenorhabditis elegans. J. Exp. Biol. 209, 3209–3218 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Selch, F. et al. Genomische Reaktion des Nematoden Caenorhabditis elegans auf die Raumfahrt. Adv. Weltraum Res. 41, 807–815 (2008).

Artikel Google Scholar

Szewczyk, NJ et al. Beschreibung des Erstflugs des internationalen Caenorhabditis-elegans-Experiments (ICE-FIRST). Adv. Weltraum Res. 42, 1072–1079 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Higashibata, A. et al. Mikrogravitation löst reproduzierbare Veränderungen in der zytoskelettalen und metabolischen Gen- und Proteinexpression bei im Weltraum geflogenen Caenorhabditis elegans aus. npj Microgravity 2, 15022 (2016).

Artikel Google Scholar

Etheridge, T. et al. Die Wirksamkeit von RNAi bei Caenorhabditis elegans bleibt während der Raumfahrt erhalten. PLoS One 6, e20459 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Higashitani, A. et al. C. elegans RNAi-Weltraumexperiment (CERISE) im japanischen Experimentiermodul KIBO. Biol. Wissenschaft. Raum 23, 183–187 (2009).

Artikel Google Scholar

Maryon, EB, Coronado, R. & Anderson, P. unc-68 kodiert für einen Ryanodinrezeptor, der an der Regulierung der Muskelkontraktion der Körperwand von C. elegans beteiligt ist. J. Cell Biol. 134, 885–893 (1996).

Artikel CAS Google Scholar

Schultz, RD, Bennett, EE, Ellis, EA & Gumienny, TL Regulierung der extrazellulären Matrixorganisation durch BMP-Signalisierung bei Caenorhabditis elegans. PLoS One 9, e101929 (2014).

Artikel Google Scholar

Nelson, GA, Schubert, WW, Kazarians, GA & Richards, GF Entwicklung und Chromosomenmechanik bei Nematoden: Ergebnisse von IML-1. Adv. Weltraum Res. 14, 209–214 (1994).

Artikel CAS Google Scholar

Szewczyk, NJ et al. C. elegans überlebt den atmosphärischen Zerfall von STS-107, Space Shuttle Columbia. Astrobiology 5, 690–705 (2005).

Artikel Google Scholar

Tavernarakis, N., Shreffler, W., Wang, S. & Driscoll, M. unc-8, ein Mitglied der DEG/ENaC-Familie, kodiert eine Untereinheit eines möglichen mechanisch gesteuerten Kanals, der die Fortbewegung von C. elegans moduliert. Neuron 18, 107–119 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Winnier, AR et al. Die UNC-4/UNC-37-abhängige Unterdrückung motorneuronspezifischer Gene steuert die synaptische Wahl bei Caenorhabditis elegans. Genes Dev. 13, 2774–2786 (1999).

Artikel CAS Google Scholar

O'Hagan, R. & Chalfie, M. Mechanosensation bei Caenorhabditis elegans. Int. Rev. Neurobiol. 69, 169–203 (2006).

Artikel Google Scholar

Topper, SM, Aguilar, SC, Topper, VY, Elbel, E. & Pierce-Shimomura, JT Alkoholische Enthemmung des Verhaltens bei C. elegans. PLoS One 9, e92965 (2014).

Artikel Google Scholar

Sugimoto, T. et al. Caenorhabditis elegans par2.1/mtssb-1 ist für die mitochondriale DNA-Replikation essentiell und sein Defekt führt zu umfassenden Transkriptionsveränderungen, einschließlich einer Hypoxie-Reaktion. Exp. Zellauflösung 314, 103–114 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

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Wir danken der gesamten Besatzung der CERISE für ihre Arbeit an STS-129, STS-130 und der Internationalen Raumstation. Das CERISE wurde mit Unterstützung der JAXA organisiert. Wir danken auch dem Caenorhabditis elegans Genetic Center für die freundliche Bereitstellung der Mutantenstämme. Diese Arbeit wurde auch durch die JSPS KAKENHI-Zuschussnummern 26506029, 15H05937, das Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (J150000592), den Medical Research Council UK (G0801271) und die National Institutes of Health (NIH NIAMS ARO54342) unterstützt. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse des MEXT, des JSPS (15H05937, 26506029), des Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (J150000592) und des Cell Biology Experiment Project des Institute of Space and Astronautical Science in JAXA unterstützt. TE wurde vom Medical Research Council of UK (G0801271) unterstützt. NJS wurde von den National Institutes of Health (NIH NIAMS ARO54342) unterstützt.

Shunsuke Harada

Aktuelle Adresse: 9Aktuelle Adresse: School of Medicine, Universität Kobe, Kobe, Japan.,

Shunsuke Harada und Toko Hashizume: Diese Autoren haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

Abteilung für Umweltbiowissenschaften, Graduate School of Life Sciences, Tohoku-Universität, Sendai, Japan

Shunsuke Harada, Kanako Nemoto, Zhenhua Shao, Nahoko Higashitani und Atsushi Higashitani

Advanced Engineering Services, Tsukuba, Japan

Toko Hashizume

Kooperative Abteilung für Weltraum-Umweltmedizin, Graduiertenschule für medizinische und zahnmedizinische Wissenschaften, Universität Kagoshima, Kagoshima, Japan

Toko Hashizume und Akira Higashibata

Abteilung für Sport- und Gesundheitswissenschaften, College of Life and Environmental Sciences, University of Exeter, Exeter, Großbritannien

Timothy Etheridge

MRC/ARUK Centre for Musculoskeletal Aging Research und National Centre for Sport and Exercise Medicine, Royal Derby Hospital, University of Nottingham, Derby, Großbritannien

Nathaniel J. Szewczyk

Japanisches Weltraumforum, Chiyoda-ku, Japan

Keiji Fukui

Direktion für bemannte Raumfahrttechnologie, Japan Aerospace Exploration Agency, Tsukuba, Japan

Akira Higashibata

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AtsH gestaltete Forschung. SH, TH, KN, ZS, NH und AkH führten Genexpressionsanalysen und mikroskopische Beobachtungen durch. KF und AkH koordinierten das Flugexperiment CERISE. SH, AkH, TH, KN, TE, NJS und AtsH analysierten Daten und verfassten die Arbeit.

Korrespondenz mit Atsushi Higashitani.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Harada, S., Hashizume, T., Nemoto, K. et al. Die Fluiddynamik verändert die Körperlänge von Caenorhabditis elegans über die neuromuskuläre Signalübertragung von TGF-β/DBL-1. npj Microgravity 2, 16006 (2016). https://doi.org/10.1038/npjmgrav.2016.6

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Eingegangen: 30. April 2015

Überarbeitet: 14. Dezember 2015

Angenommen: 10. Januar 2016

Veröffentlicht: 07. April 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/npjmgrav.2016.6

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