Semnalele de dietă și exerciții fizice reglează SIRT3 și activează AMPK și PGC-1α în mușchiul scheletic
Orsolya M. Palacios
1 USDA/ARS Centrul de Cercetare în Nutriție pentru Copii, Departamentul de Pediatrie, Colegiul de Medicină Baylor, Houston, TX 77030, SUA
7 Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare
Juan J. Carmona
2 Institutul Medical Howard Hughes și Laboratoarele Paul F. Glenn pentru Mecanismele Biologice ale Îmbătrânirii, Departamentul de Patologie, Școala Medicală Harvard, Boston, MA 02115, SUA
3 Massachusetts General Hospital Cancer Center, Charlestown, MA 02129, SUA
4 Departamentul Societății, Dezvoltarea Umană și Sănătate, Școala Harvard de Sănătate Publică, Boston, MA 02115, SUA
7 Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare
Shaday Michan
5 Paul F. Glenn Laboratoarele pentru mecanismele biologice ale îmbătrânirii, Departamentul de patologie, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, SUA
Ke Yun Chen
1 USDA/ARS Centrul de Cercetare în Nutriție pentru Copii, Departamentul de Pediatrie, Colegiul de Medicină Baylor, Houston, TX 77030, SUA
Yasuko Manabe
6 Joslin Diabetes Center & Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, SUA
Jack Lee Ward III
1 USDA/ARS Centrul de Cercetare în Nutriție pentru Copii, Departamentul de Pediatrie, Colegiul de Medicină Baylor, Houston, TX 77030, SUA
Laurie J. Goodyear
6 Joslin Diabetes Center & Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, Boston, MA 02115, SUA
Qiang Tong
1 USDA/ARS Centrul de Cercetare în Nutriție pentru Copii, Departamentul de Pediatrie, Colegiul de Medicină Baylor, Houston, TX 77030, SUA
Date asociate
Abstract
SIRT3 este un membru al familiei sirtuinelor de deacetilaze dependente de NAD +, care este localizată în mitocondrii și este îmbogățită în rinichi, țesut adipos maro, inimă și alte țesuturi active din punct de vedere metabolic. Raportăm aici că SIRT3 răspunde dinamic atât la semnalele de exercițiu, cât și la cele nutriționale din mușchiul scheletic pentru a coordona răspunsurile moleculare din aval. Arătăm că antrenamentul la exercițiu crește expresia SIRT3, precum și fosforilarea CREB asociată și reglarea ascendentă a PGC-1α. Mai mult, arătăm că SIRT3 este mai puternic exprimat în mușchiul solitar lent oxidativ de tip I comparativ cu mușchiul rapid extensor digitorum longus sau gastrocnemius. În plus, descoperim că nivelurile de proteine SIRT3 din mușchii scheletici sunt sensibile la dietă, deoarece expresia SIRT3 crește prin post și restricție calorică, dar este redusă prin dieta bogată în grăsimi. Interesant este că regimul de restricție calorică duce, de asemenea, la activarea fosfo-AMPK în mușchi. În schimb, la șoarecii knockout SIRT3, descoperim că fosforilarea AMPK și CREB și expresia PGC-1α sunt reglementate în jos, sugerând că acești factori celulari cheie pot fi componente importante ale semnalelor biologice mediate de SIRT3 in vivo.
Introducere
În mușchiul scheletic, receptorul activat cu proliferatorul peroxizomului gamma coactivator-1α (PGC-1α), un co-activator al receptorului nuclear, joacă roluri multiple în reglarea metabolică [25,26]. Stimulează biogeneza mitocondrială [27], induce comutatorul de tip fibră musculară și crește capacitatea oxidativă în celulele musculare scheletice [28]. În plus față de activarea transcripțională de către CREB [29], s-a demonstrat că protein kinaza activată cu AMP (AMPK) crește, de asemenea, expresia PGC-1α [30,31] și o activează prin fosforilare directă [32]. AMPK este, de asemenea, un senzor molecular cheie și un regulator al metabolismului muscular.
AMPK este o proteină kinază serină/treonină heterotrimerică omniprezentă, care funcționează ca senzor de combustibil în multe țesuturi, inclusiv în mușchiul scheletal [33]. AMPK este activat alosteric de AMP și de fosforilare la Thr172 în subunitatea α catalitică, în principal de o kinază AMPK în amonte, LKB1 [34,35]. Important, AMPK este stimulat de stresurile celulare care diminuează ATP și cresc AMP, cum ar fi restricția dietei/hipoglicemia [36], exercițiul [37] și contracția musculară [38]. AMPK activat stimulează căile catabolice generatoare de ATP, cum ar fi absorbția celulară de glucoză și α-oxidarea acidului gras. Activarea AMPK reprimă, de asemenea, procesele consumatoare de ATP, cum ar fi lipogeneza, pentru a restabili echilibrul energetic intracelular [33,39].
Munca noastră urmărește să elucideze în continuare rolul sirtuinelor în sănătate și boală, cu accent special pe țesutul muscular în acest studiu. Raportăm aici că expresia SIRT3 în mușchiul scheletic este sensibilă la diferite semnale atât din dietă, cât și din exerciții, ducând la activarea în aval a AMPK și reglarea în sus a PGC-1α. SIRT3 este, prin urmare, un potențial regulator cheie al biologiei mușchilor scheletici, răspunzând la indicii de mediu importante și activând factorii celulari in vivo.
Rezultate
SIRT3 este reglat în mușchiul scheletic prin antrenament la exerciții
Am testat mai întâi profilul de expresie SIRT3 in vivo pentru a compara distribuția întregului corp al SIRT3, în special între mușchi și țesuturi precum adipos și rinichi, unde SIRT3 a fost descris anterior. După cum s-a prezis, modelul de distribuție tisulară SIRT3 îl reflectă pe cel al ARNm-ului SIRT3 [11]. Într-adevăr, SIRT3 prezintă o expresie ridicată în țesuturile metabolice active importante, cum ar fi rinichiul, grăsimea brună, ficatul și creierul (Figura (Figura 1). 1). La compararea expresiei între eșantioanele de mușchi, am observat că nivelurile de proteine SIRT3 au fost mai mari în mușchiul soleus cu mișcare lentă, comparativ cu mușchii cu mișcare rapidă, cum ar fi extensorul digitorului lung și gastrocnemius, în acord cu un conținut mai mare de mitocondrie și caracteristica oxidativă a mușchiului soleu.
Proteina SIRT3 este exprimată abundent în țesutul adipos maro (BAT), ficat, rinichi, inimă, creier și mușchiul soleu, dar foarte scăzut în țesutul adipos alb (WAT), în mușchiul extensor digitorum lung (EDL) sau gastrocnemius mușchi (gastro). Pentru fiecare probă, 50 μg de proteine au fost încărcate într-un gel de acrilamidă 10%, electroforizate și transferate într-o membrană de nitroceluloză. Membrana a fost sondată folosind un ser anti-SIRT3 sau un anticorp anti-β-actină. Bloturile au fost cuantificate cu ImageQuant și sunt furnizate rapoarte SIRT3/actină; deoarece gastrocnemius (Gastro) are cea mai scăzută expresie SIRT3 in vivo, normalizarea (l.0) a fost stabilită față de acest țesut.
Pentru a studia rolul SIRT3 în mușchi în contextul biologiei exercițiilor, am testat apoi dacă nivelurile de proteine SIRT3 au fost sensibile la un protocol de exercițiu voluntar stabilit [40]. Folosind un anticorp policlonal SIRT3 anti-șoarece specific, am constatat că proteina SIRT3 a crescut selectiv în triceps, mușchiul care este antrenat în sistemul cușcă cu roți, dar nu în probele de mușchi cardiac de la aceleași animale (Figura (Figura 2A)). . Spre deosebire de SIRT3, antrenamentul de efort nu a reușit să modifice nivelurile de proteine SIRT1 la triceps (datele nu sunt prezentate). Specificitatea anticorpului nostru pentru detectarea endogenului
Proteina SIRT3 de 28 kDa a fost confirmată folosind lizatele de țesut knockout SIRT3 (Figura suplimentară Figura 1). 1). În special, inducerea SIRT3 în mușchiul scheletic a fost mai mare la șoarecii femele în comparație cu cea a colegilor de sex masculin (Figura (Figura 2B). 2B). În acord cu această reglare ascendentă, am observat, de asemenea, niveluri crescute de SIRT3 în mușchiul gastrocnemius al șobolanilor exercitați pe o paradigmă de exerciții pe bază de bandă de alergare [41] (Figura suplimentară Figura 2). 2). Chiar și o săptămână de antrenament a fost suficientă pentru a crește cantitatea de proteină SIRT3 (Figura suplimentară Figura 2B). 2B). Reglarea în sus a SIRT3 (Figura (Figura2B) 2B) corelată cu fosforilarea în aval îmbunătățită a CREB la Ser133 (Figura (Figura2C) 2C) și inducția PGC-1α (Figura (Figura2D). 2D). În cele din urmă, activitatea citratului sintază, un marker mitocondrial pentru antrenamentul la exerciții, a fost semnificativ mai mare la mușchii instruiți decât la grupul de control sedentar respectiv (Figura (Figura 2E). 2E). Colectiv, aceste date sugerează că reglarea în sus a SIRT3 prin exercițiu este o consecință moleculară importantă și conservată a antrenamentului.