Long-term monitoring of Ca2+ dynamics in C. elegans pharynx: an in vivo energy balance sensor

Abstract

El Ca2+ es un transductor clave de señales para la contracción muscular. El monitoreo continuo en vivo de la dinámica intracelular de Ca2+ en el músculo faringe de C. elegans reveló patrones sorprendentemente complejos de Ca2+. A pesar del declive dependiente de la edad en la bomba faringea, observamos oscilaciones rápidas de Ca2+ inalteradas tanto en gusanos jóvenes como en viejos. Además, se observaron con frecuencia aumentos esporádicos y prolongados de Ca2+, que duraban varios segundos o minutos, entre períodos de oscilaciones rápidas de Ca2+. Atribuimos estos aumentos a la inhibición de las bombas de Ca2+ dependientes de ATP debido al agotamiento energético. En consecuencia, la privación de alimentos aumentó en gran medida la frecuencia de los aumentos prolongados de [Ca2+]. Sin embargo, paradójicamente, los aumentos prolongados de [Ca2+] fueron observados más frecuentemente en gusanos jóvenes que en los más viejos, y menos frecuentemente en mutantes de la cadena respiratoria mitocondrial con deficiencia energética (nuo-6) que en controles de tipo salvaje. Hipotetizamos que los animales jóvenes son más susceptibles al agotamiento energético debido a su tasa más rápida de consumo de energía, mientras que los mutantes nuo-6 pueden mantener mejor el balance energético al reducir el consumo de energía. Por lo tanto, nuestros datos sugieren que el estado metabólico de la faringe durante la estimulación alimentaria depende principalmente del delicado equilibrio entre las tasas instantáneas de producción y consumo de energía. Así, el monitoreo en vivo de la dinámica de Ca2+ en los músculos puede ser una herramienta novedosa para estudiar la disponibilidad energética celular.

Ca2+ is a key signal transducer for muscle contraction. Continuous in vivo monitoring of intracellular Ca2+-dynamics in C. elegans pharynx muscle revealed surprisingly complex Ca2+ patterns. Despite the age-dependent decline of pharynx pumping, we observed unaltered fast Ca2+ oscillations both in young and old worms. In addition, sporadic prolonged Ca2+ increases lasting many seconds or minutes were often observed in between periods of fast Ca2+ oscillations. We attribute them to the inhibition of ATP-dependent Ca2+-pumps upon energy depletion. Accordingly, food deprivation largely augmented the frequency of prolonged [Ca2+] increases. However, paradoxically, prolonged [Ca2+] increases were more frequently observed in young worms than in older ones, and less frequently observed in energy-deficient mitochondrial respiratory chain nuo-6 mutants than in wild-type controls. We hypothesize that young animals are more susceptible to energy depletion due to their faster energy consumption rate, while nuo-6 mutants may keep better the energy balance by slowing energy consumption. Our data therefore suggest that the metabolic state of the pharynx during feeding stimulation depends mainly on the delicate balance between the instant rates of energy production and consumption. Thus, in vivo monitoring of muscle Ca2+ dynamics can be used as a novel tool to study cellular energy availability.