Дієтичні та фізичні вправи регулюють SIRT3 та активують AMPK та PGC-1α у скелетних м’язах

Орсоля М. Палаціос

1 USDA/ARS Дитячий дослідницький центр харчування, Департамент педіатрії, Медичний коледж Бейлора, Х'юстон, штат Техас 77030, США

7 Ці автори зробили однаковий внесок у цю роботу

Хуан Дж. Кармона

2 Медичний інститут Говарда Х'юза та Пол Ф. Гленн, лабораторії біологічних механізмів старіння, кафедра патології, Гарвардська медична школа, Бостон, Массачусетс 02115, США

3 Онкологічний центр загальної лікарні штату Массачусетс, Чарльзтаун, Массачусетс 02129, США

4 Департамент суспільства, розвитку людини та охорони здоров'я, Гарвардська школа громадського здоров'я, Бостон, Массачусетс 02115, США

7 Ці автори зробили однаковий внесок у цю роботу

Шадай Міхан

5 Пол Ф. Гленн Лабораторії біологічних механізмів старіння, Кафедра патології, Гарвардська медична школа, Бостон, Массачусетс 02115, США

Ке Юнь Чень

Ясуко Манабе

6 Діабет-центр Джосліна та лікарня Брігама та жінок, Гарвардська медична школа, Бостон, Массачусетс 02115, США

Джек Лі Уорд III

Лорі Дж. Гудієр

6 Центр діабету Джосліна та лікарня Бригама та жінок, Гарвардська медична школа, Бостон, Массачусетс 02115, США

Цянг Тонг

Пов’язані дані

Анотація

SIRT3 є членом сіртуїнової групи NAD + -залежних деацетилаз, яка локалізована в мітохондріях і збагачена нирками, коричневою жировою тканиною, серцем та іншими метаболічно активними тканинами. Тут ми повідомляємо, що SIRT3 динамічно реагує як на фізичні вправи, так і на харчові сигнали в скелетних м’язах, щоб координувати молекулярні реакції нижче за течією. Ми показуємо, що тренувальні вправи збільшують експресію SIRT3, а також пов'язане з цим фосфорилювання CREB та підвищення регуляції PGC-1α. Крім того, ми показуємо, що SIRT3 більш виражений у повільних окислювальних м’язах підошви I типу порівняно з швидкими м’язами розгиначів пальців другого типу або шлунково-м’язових м’язів. Крім того, ми виявляємо, що рівні білка SIRT3 в скелетних м’язах чутливі до дієти, оскільки експресія SIRT3 збільшується за допомогою голодування та обмеження калорій, проте вона знижується за допомогою дієти з високим вмістом жиру. Цікаво, що режим обмеження калорій також призводить до фосфоактивації AMPK у м’язах. І навпаки, у мишей-нокаутів SIRT3 ми виявляємо, що фосфорилювання як AMPK, так і CREB, а також експресія PGC-1α регулюється вниз, припускаючи, що ці ключові клітинні фактори можуть бути важливими компонентами опосередкованих SIRT3 біологічних сигналів in vivo.

Вступ

У скелетних м'язах гамма-коактиватор-1α (PGC-1α), що активується проліфератором пероксисоми, відіграє неоднакову роль у метаболічній регуляції [25,26]. Він стимулює біогенез мітохондрій [27], індукує перемикання типу м’язових волокон та збільшує окислювальну здатність клітин скелетних м’язів [28]. На додаток до транскрипційної активації за допомогою CREB [29], було показано, що AMP-активована протеїнкіназа (AMPK) також збільшує експресію PGC-1α [30,31] і активує її шляхом прямого фосфорилювання [32]. AMPK також є ключовим молекулярним датчиком і регулятором м’язового обміну.

AMPK - це всюдисуща гетеротримерна серин/треонін протеїнкіназа, яка функціонує як датчик палива в багатьох тканинах, включаючи скелетні м’язи [33]. AMPK аллостерично активується AMP і фосфорилюванням на Thr172 в каталітичній α-субодиниці, головним чином, за допомогою кінази AMPK, розташованої вище за потоком, LKB1 [34,35]. Важливо, що АМФК стимулюється стільниковими стресами, які виснажують АТФ та підвищують АМФ, такими як обмеження дієти/гіпоглікемія [36], фізичні вправи [37] та скорочення м’язів [38]. Активований АМФК стимулює катаболічні шляхи, що генерують АТФ, такі як клітинне поглинання глюкози та α-окислення жирних кислот. Активація AMPK також пригнічує процеси, що споживають АТФ, такі як ліпогенез, для відновлення внутрішньоклітинного енергетичного балансу [33,39].

Наша робота спрямована на подальше з’ясування ролі сиртуїнів у здоров’ї та захворюваннях, з особливим акцентом на м’язовій тканині в цьому дослідженні. Тут ми повідомляємо, що експресія SIRT3 в скелетних м’язах чутлива до різних сигналів, що надходять як від дієти, так і від фізичних вправ, що призводить до активації AMPK внизу та регуляції PGC-1α. Тому SIRT3 є потенційним ключовим регулятором біології скелетних м’язів, реагуючи на важливі екологічні сигнали та активуючи клітинні фактори in vivo.

Результати

SIRT3 регулюється в скелетних м’язах за допомогою фізичних вправ

Ми вперше проаналізували профіль експресії SIRT3 in vivo, щоб порівняти розподіл SIRT3 у всьому тілі, зокрема між м’язами та тканинами, такими як жирова та ниркова, де SIRT3 вже був описаний раніше. Як і передбачалося, модель розподілу тканин SIRT3 відображає схему розподілу мРНК SIRT3 [11]. Дійсно, SIRT3 демонструє високу експресію у важливих метаболічно активних тканинах, таких як нирки, коричневий жир, печінка та мозок (рис. Порівнюючи експресію в зразках м'язів, ми помітили, що рівні білка SIRT3 були вищими в м'язі підошви з повільним поштовхом, порівняно з м'язами, що швидко смикаються, такими як extensor digitorum longus та gastrocnemius, узгоджено з вищим вмістом мітохондрій та окисною властивістю підошви.

Білок SIRT3 рясно експресується в коричневій жировій тканині (BAT), печінці, нирках, серці, мозку та м'язі підошви, але дуже мало білої жирової тканини (WAT), довгій м'язі розгинача великого пальця (EDL) або шлунково-кишковому тракті м'язи (Гастро). Для кожного зразка 50 мкг білка завантажували в 10% акриламідний гель, електрофорезували і переносили на нітроцелюлозну мембрану. Мембрану зондували з використанням сироватки проти SIRT3 або анти-β-актинового антитіла. Плямки кількісно визначали за допомогою ImageQuant та пропонуються співвідношення SIRT3/актин; оскільки гастрокнеміус (Gastro) має найнижчу експресію SIRT3 in vivo, нормалізація (l.0) була встановлена щодо цієї тканини.

Щоб вивчити роль SIRT3 у м’язах у контексті біології фізичних вправ, ми далі перевірили, чи рівні білка SIRT3 були чутливими до встановленого протоколу добровільних вправ [40]. Використовуючи специфічне анти-мишаче поліклональне антитіло SIRT3, ми виявили, що білок SIRT3 вибірково збільшувався в трицепсах, м’язах, які проходять тренування в системі, закріпленій на колесах, але не в зразках серцевих м’язів у тих самих тварин (рисунок (Рисунок 2А). 2А ). На відміну від SIRT3, тренування не могла змінити рівень білка SIRT1 у трицепсах (дані не наведені). Специфічність нашого антитіла для виявлення ендогенного

Білок SIRT3 28 кДа був підтверджений за допомогою вибивних лізатів тканин SIRT3 (додаткова фігура Рисунок 1). 1). Примітно, що індукція SIRT3 у скелетних м’язах була вищою у самок мишей у порівнянні з індукцією чоловічих однокласників (Рисунок (Рисунок 2B). 2B). Згідно з цим регулюванням, ми також спостерігали підвищений рівень SIRT3 в шлунково-м’язовому м’язі щурів, які здійснювали парадигму фізичних вправ на основі бігової доріжки [41] (Додаткова фігура Рисунок 2). 2). Навіть одного тижня тренувань на біговій доріжці було достатньо для збільшення кількості білка SIRT3 (Додаткова фігура Рисунок 2B). 2B). Підвищення регуляції SIRT3 (рис. (Рис. 2B) 2B) корелювало з посиленим фосфорилюванням CREB нижче за потоком Ser133 (малюнок (Figure2C) 2C) та індукцією PGC-1α (Рисунок (Рисунок 2D). 2D). Нарешті, активність цитратсинтази, мітохондріальний маркер для тренувань, була значно вищою у тренованих м’язах, ніж у відповідній сидячій контрольній групі (рис. (Рис. 2Е). 2Е). У сукупності ці дані свідчать про те, що підвищення регуляції SIRT3 за допомогою фізичних вправ є важливим і збереженим молекулярним наслідком тренувань.