13.07.2015 Views

Genuttrycksförändringar i skelettmuskeln vid ryggmärgsskada ... - GIH

Genuttrycksförändringar i skelettmuskeln vid ryggmärgsskada ... - GIH

Genuttrycksförändringar i skelettmuskeln vid ryggmärgsskada ... - GIH

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 3 - 2 0 0 6påverkar muskelns relativa uttryck avde olika AMPK isoformerna.Figur 2. Skillnader i mRNA uttryck i skelettmuskel hos ryggmärgsskadade (n=6) jämfört med gående(n=7) individer. ↓ indikerar lägre och ↑ högre nivåer hos de ryggmärgsskadade, ↔ ingen skillnadmellan grupperna. Siffrorna 1-3 representerar isoform ett, två och tre.Slutsatser och betydelseI skelettmuskulatur som varit inaktivunder en längre tid, sker en fibertypsförändringmed en ökning av typ IIbmuskelfibrer till följd (9). Detta harvisats tidigare i den nu studerade gruppenryggmärgsskadade (7). Nyligenhar vår forskargrupp rapporterat attAMPK γ3 isoformen främst är uttryckti vit, snabb, glykolytisk typ IIb muskelfiber.En möjlig förklaring till detökade uttrycket av AMPK γ3 hos deryggmärgsskadade är att det reflekterarden relativt höga andelen IIb fibrer somfinns i musklerna hos ryggmärgsskaregelbundenträning. Träningsmodellensom användes var elektriskt stimuleradbencykling (ESLC), där deltagarna tränadesju stycken 30 minuters pass pervecka. Förutom den ökade muskelmassani benen så ledde ESLC-träningentill ett förbättrat insulinstimuleratglukosupptag på helkroppsnivå, samten markant ökning av proteiner somspelar en nyckelroll i regleringen avglukosmetabolismen i musklerna.Dessutom observerades en tendens tillmuskelfibertypsförändring från typ IIbtill IIa, samt att mängden typ I muskelfibrerökade från i stort sett ha varitobefintlig till några procent (7). Dettainnebär att de förändringar som skeri skelettmuskulaturen hos ryggmärgsskadadeåtminstone till viss del gåratt återskapa genom anpassad fysiskträning.AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK)En mycket viktig sensor, som kännerav energistatusen och reglerar cellensmetabolism, är enzymet AMP-aktiveratproteinkinas (AMPK). Rent generelltkan man säga att AMPK, för att upprätthållacellens energistatus, triggarigång katabola (nedbrytande) signaleringsvägar,så att ATP produceras, samtidigtsom enzymet stänger av anabola(uppbyggande) signaleringsvägar, vilkakonsumerar ATP (Figur 1) (5).Struktur och reglering av AMPKI en rad olika vävnader kontrollerarAMPK glukos- och lipidmetabolismen.När ATP bryts ned bildas förstADP + fritt fosfat + energi. ADP kansedan brytas ned vidare i AMP + frittfosfat + energi. När mängden AMPi förhållande till ATP ökar i cellen,aktiveras AMPK för att starta processersom upprätthåller energibalansen.AMPK stimulerar glukosupptag ochlipidoxidation för att producera energioch motverkar samtidigt energikonsumerandeprocesser såsom glukos- ochlipidproduktion.Enzymet AMPK är uppbyggt avtre olika delar, α-, β-, och γ-enheter,vilka alla är nödvändiga för att få fullaktivitet. Av de olika enheterna finnsdet dessutom olika isoformer: två förα- (α1 och α2) och β-enheterna (β1och β2), samt tre för γ (γ1, γ2, och γ3)(5). Aktivering av AMPK sker via uppströmsliggandeAMPK kinas medanaktiveringen minskas av olika fosfataser(Figur 1).AMPK och fysisk aktivitetDet är väl känt att AMPK aktiveras iskelettmuskel vid muskelkontraktion/träning. Detta leder till en mängd cellulärasvar vid både akut och kroniskträning hos människa och gnagare(11-13). Aktivering av AMPK skyddarmuskeln mot energibrist genombland annat ökad förflyttning avglukostransportörer till cellytan, vilketleder till att mer socker kan tas upp icellen, samt ökad fettnedbrytning (1,6). Förutom dessa metabola funktionerhar AMPK även visats ha betydelse förreglering av transkription och genuttryck(8, 14, 15).Vilka faktorer som reglerar detrelativa uttrycket av de olika AMPKisoformerna i human skelettmuskelär idag inte kända. Dock vet man attregelbunden uthållighetsträning ärförknippad med minskat proteinuttryckav γ3 och ett ökat uttryck avisoformerna α1, β2 och γ1 (4). Dånervaktivitet (innervering) styr mångametabola och strukturella förhållandenoch funktioner i skelettmuskeln, ställdevi oss frågan om ryggmärgsskadaSyfteHuvudsyftet med vår studie var attundersöka om innervering påverkaruttrycket av AMPK. Vi analyserade ommRNA nivåerna av de olika AMPKisoformerna skiljer sig i skelettmuskelfrån ryggmärgskadade jämfört medupprättgående individer. Dessutomundersökte vi effekterna av regelbundenträning på mRNA nivå av de olikaAMPK isoformerna hos en subgruppav de ryggmärgsskadade personerna.Material och metodMuskelprover (biopsier) erhölls frånsex ryggmärgsskadade och sju matchade,gående män. Fyra av de ryggmärgsskadadepersonerna deltog sedani åtta veckors träning (ESLC), där devarje vecka tränade ett pass per dagunder tre dagar och två pass per dagunder två dagar. Träningen utfördes påen specialdesignad datorkontrollerad,elektrisk cykelergometer. RNA extraheradesur muskelbiopsierna och cDNAsyntetiserades för analys av mRNAuttryck.ResultatmRNA uttrycket av de två α- såvälsom de två β-enheterna var lägre hosde ryggmärgsskadade jämfört med degående männen. I motsats till detta varmRNA uttrycket av två av de tre γ-enheterna, γ1 och γ3, förhöjt (Figur 2).I den mindre subgruppen ryggmärgsskadade(n=4) som utförde åttaveckors ESLC-träning ökade mRNAuttrycket av AMPK γ2 hos samtliga.Förändringar av de övriga isoformernavarierade mellan de olika individerna.De två personer som varit skadadelängst, 23 respektive 11 år följdevarandra, oftast åt motsatt håll jämförtmed de två personer som varit skadadekortare tid, 6 respektive 7 år.35


S V E N S K I D R O T T S F O R S K N I N G 3 - 2 0 0 6Figur 3. Uttrycksmönster i skelettmuskel av deolika AMPK isoformerna. Data visas i relationtill uttrycket av α1 i respektive grupp. Gående(överst till vänster, n=7), ryggmärgsskadadeföre träning (överst till höger, n=6), ochryggmärgsskadade efter åtta veckors ESLCträning(nederst till höger, n=4). Staplarnarepresenterar medelvärdet av varje isoform irelation till AMPK α1 (α1 och 2; vit, β1 och 2; grå,γ1, 2, och 3; randig).dade. Dessutom minskar γ3 uttrycketefter åtta veckors ESLC-träning, vilketstämmer överens med liknande fynd isamband med regelbunden träning hoskontrollpersoner (4).Intressant att notera är att α2, β2,och γ3 är de dominerande isoformernai skelettmuskel hos gående individer.Trots förlusten av neuronal aktivitet,kvarstår detta uttrycksmönster ävenhos de ryggmärgsskadade personerna(Figur 3), vilket föreslår en nyckelrollför dessa isoformer i skelettmuskel.SlutordSammanfattningsvis kan konstaterasatt vid ryggmärgsskada så sker det förändringari mRNA uttryck av de olikaAMPK isoformerna. Elektriskt stimuleradcykelträning normaliserar delvismRNA uttrycket. Regelbunden fysiskaktivitet påverkar således kompositionenav de olika AMPK isoformernaoch vidare den metabola profilen iskelettmuskeln. Dock återstår fortsattarbete för att kunna utröna bakomliggandemekanismer.Naturligtvis krävs det meraforskning inom detta område för attklargöra tidsramar och till vilken gradgenuttrycksförändringar sker i skelettmuskelni samband med ryggmärgsskada.I kombination med studier avvad som sker på gennivå, är det ocksåav stor vikt att undersöka och validera36dessa fynd på proteinuttrycksnivå.Djupare kunskap kring de mekanismersom leder till strukturella och metabolaförändringar i skelettmuskeln harpotential att designa farmakologiskamedel för exempelvis kontroll av proteinnybildning,vilket kan förebyggamuskelförtvining och/eller förbättrablodsockernivåer. Dessutom kommerdjupare kunskaper om kommunikationeni muskelcellen att förbättraförståelsen av olika typer av träningsamt underlätta vid mer individanpassadträning.Studien har utförts i samarbetemed Dr. Nils Hjeltnes, Sunnås Sjukhus,Nesoddtangen, Norge, samt doktorandernaMaria Ahlsén och Yun ChauLong, Karolinska Institutet.Ulrika WidegrenSektionen för integrativ fysiologiKarolinska Institutetvon Eulers väg 4, 171 77 StockholmE-post: Ulrika.Widegren@ki.seTelefon: 08-524 867 47Referenser1. Bergeron R, Previs SF, Cline GW, Perret P,Russell III RR, Young LH, and Shulman GI.Effect of 5-Aminoimidazole-4-Carboxamide-1-{beta}-D-Ribofuranoside Infusion on In VivoGlucose and Lipid Metabolism in Lean andObese Zucker Rats. Diabetes 50: 1076-1082,2001.2. Booth FW, and Baldwin, K.W. Muscle plasticity:energy demand and supply processes. In:Handbook of Physiology, Exercise: Regulationand Integration of Multiple Systems, editedby L.B. Rowell aJTS. New York: Am. Physiol.Soc., Oxford University Press, 1996, p. Chapter24, p. 1075-1123.3. Booth FW, Chakravarthy MV, and SpangenburgEE. Exercise and gene expression:physiological regulation of the human genomethrough physical activity. J Physiol (Lond) 543:399-411, 2002.4. Frosig C, Jorgensen SB, Hardie DG, RichterEA, and Wojtaszewski JF. 5’-AMP-activatedprotein kinase activity and protein expressionare regulated by endurance training in humanskeletal muscle. Am J Physiol EndocrinolMetab 286: E411-417, 2004.5. Hardie DG. AMP-activated protein kinase:a key system mediating metabolic responses toexercise. Med Sci Sports Exerc 36: 28-34, 2004.6. Hayashi T, Hirshman M, Fujii N, HabinowskiS, Witters L, and Goodyear L. Metabolicstress and altered glucose transport: activationof AMP-activated protein kinase as a unifyingcoupling mechanism. Diabetes 49: 527-531,2000.7. Hjeltnes N, Galuska D, Bjornholm M,Aksnes A-k, Lannem A, Zierath JR, and Wallberg-HenrikssonH. Exercise-induced overexpressionof key regulatory proteins involved inglucose uptake and metabolism in tetraplegicpersons: molecular mechanism for improvedglucose homeostasis. FASEB J 12: 1701-1712,1998.8. Long Y, Barnes B, Mahlapuu M, Steiler T,Martinsson S, Leng Y, Wallberg-Henriksson H,Andersson L, and Zierath J. Role of AMP-activatedprotein kinase in the coordinated expressionof genes controlling glucose and lipidmetabolism in mouse white skeletal muscle.Diabetologia 2005.9. Lotta S, Scelsi R, Alfonsi E, Saitta A, NicolottiD, Epifani P, and Carraro U. Morphometricand neurophysiological analysis of skeletalmuscle in paraplegic patients with traumaticcord lesion. Paraplegia 29: 247-252, 1991.10. Neufer PD, and Dohm GL. Exercise inducesa transient increase in transcription of theGLUT-4 gene in skeletal muscle. Am J Physiol265: C1597-1603, 1993.11. Rasmussen BB, and Winder WW. Effect ofexercise intensity on skeletal muscle malonyl-CoA and acetyl-CoA carboxylase. J Appl Physiol83: 1104-1109, 1997.12. Wojtaszewski JFP, MacDonald C, NielsenJN, Hellsten Y, Hardie DG, Kemp BE, Kiens B,and Richter EA. Regulation of 5’AMP-activatedprotein kinase activity and substrate utilizationin exercising human skeletal muscle. Am J PhysiolEndocrinol Metab 284: E813-822, 2003.13. Wojtaszewski JFP, Nielsen P, Hansen BF,Richter EA, and Kiens B. Isoform-specific andexercise intensity-dependent activation of 5’-AMP-activated protein kinase in human skeletalmuscle. J Physiol (Lond) 528: 221-226, 2000.14. Zheng D, MacLean PS, Pohnert SC, KnightJB, Olson AL, Winder WW, and Dohm GL.Regulation of muscle GLUT-4 transcription byAMP-activated protein kinase. J Appl Physiol91: 1073-1083, 2001.15. Zong H, Ren JM, Young LH, Pypaert M,Mu J, Birnbaum MJ, and Shulman GI. AMPkinase is required for mitochondrial biogenesisin skeletal muscle in response to chronic energydeprivation. PNAS 99: 15983-15987, 2002.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!