Pharynx mitochondrial [Ca2+] dynamics in live C. elegans worms during aging

Abstract

Progressive decline in mitochondrial function is generally considered one of the hallmarks of aging. We have expressed a Ca2+ sensor in the mitochondrial matrix of C. elegans pharynx cells and we have measured for the first time mitochondrial [Ca2+] ([Ca2+]M) dynamics in the pharynx of live C. elegans worms during aging. Our results show that worms stimulated with serotonin display a pharynx [Ca2+]M oscillatory kinetics that includes both high frequency oscillations (up to about 1Hz) and very prolonged "square-wave" [Ca2+]M increases, indicative of energy depletion of the pharynx cells. Mitochondrial [Ca2+] is therefore able to follow "beat-to-beat" the fast oscillations of cytosolic [Ca2+]. The fast [Ca2+]M oscillations kept steady frequency values during the whole worm life, from 2 to 12 days old, but the height and width of the peaks was progressively reduced. [Ca2+]M oscillations were also present with similar kinetics in respiratory chain complex I nuo-6 mutant worms, although with smaller height and frequency than in the controls, and larger width. In summary, Ca2+ fluxes in and out of the mitochondria are relatively well preserved during the C. elegans life, but there is a clear progressive decrease in their magnitude during aging. Moreover, mitochondrial Ca2+ fluxes were smaller in nuo-6 mutants with respect to the controls at every age and decreased similarly during aging.

El declive progresivo de la función mitocondrial se considera generalmente uno de los signos distintivos del envejecimiento. Hemos expresado un sensor de Ca2+ en la matriz mitocondrial de las células de la faringe de C. elegans y hemos medido por primera vez la dinámica de [Ca2+] mitocondrial ([Ca2+]M) en la faringe de gusanos vivos de C. elegans durante el envejecimiento. Nuestros resultados muestran que los gusanos estimulados con serotonina exhiben una cinética oscilatoria de [Ca2+]M en la faringe que incluye tanto oscilaciones de alta frecuencia (hasta aproximadamente 1 Hz) como aumentos muy prolongados de [Ca2+]M en forma de "onda cuadrada", indicativos de agotamiento energético de las células de la faringe. Por lo tanto, el [Ca2+] mitocondrial es capaz de seguir "latido a latido" las rápidas oscilaciones del [Ca2+] citosólico. Las oscilaciones rápidas de [Ca2+]M mantuvieron valores de frecuencia constantes durante toda la vida del gusano, de 2 a 12 días de edad, pero la altura y el ancho de los picos se redujeron progresivamente. Las oscilaciones de [Ca2+]M también estuvieron presentes con cinéticas similares en gusanos mutantes de la cadena respiratoria del complejo I nuo-6, aunque con menor altura y frecuencia que en los controles, y mayor ancho. En resumen, los flujos de Ca2+ dentro y fuera de las mitocondrias se mantienen relativamente bien preservados durante la vida de C. elegans, pero hay una clara disminución progresiva de su magnitud durante el envejecimiento. Además, los flujos de Ca2+ mitocondrial fueron menores en los mutantes nuo-6 con respecto a los controles en cada edad y disminuyeron de manera similar durante el envejecimiento.