Die Rolle des Transkriptionsfaktors NF-kB bei der Trainingsanpassung des Skelettmuskel

The role of the transcription factor NF-kB in skeletal muscle in response to exercise

Regulation and function of nuclear factor-kB (NF-kB) in skeletal muscle responses to exercise is poorly understood. Few previous studies demonstrated that an acute bout of exercise activates this transcription factor. Nevertheless, the role of NF-kB signaling in long-term functional adaptations of skeletal muscle is still a matter of controversy: Whereas some studies could demonstrate increased activity of NF-kB in response to regular endurance exercise, others showed reduced NF-kB activity levels in the trained skeletal muscle. It is well recognized that NF-kB signaling plays a crucial role in pathophysiological conditions of muscle wasting commonly associated with chronic inflammation. Furthermore, recent studies identified tumor necrosis factor-receptor associated factor (TRAF6) as an important signal transducer involved in the activation of NF-kB during skeletal muscle atrophy, and its inhibition has been shown to prevent skeletal muscle wasting induced by cachexia in experimental models. Regular physical exercise is a proven strategy to prevent cachectic processes in skeletal muscle. Therefore, the primary aim of this thesis was to determine the influence of acute and long-term physical exercise on skeletal muscle NF-kB activity and TRAF6 levels.
For this purpose, we established a treadmill-based experimental mouse exercise protocol. C57BL/6 mice completed either an acute bout of treadmill running or ten weeks of regular, standardized exercise training. When compared to sedentary control animals, no major effects of acute and long-term exercise on NF-kB activity or TRAF6 levels were detectable in skeletal muscle tissue. However, it is well possible that potential effects might not have been captured by the study design.
To analyze a putative involvement of NF-kB signaling in skeletal muscle adaptation to exercise - or to prove a lack thereof, NF-kB activation was blocked in sedentary as well as exercising animals by application of pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC). Chronic PDTC treatment over a period of ten weeks indeed resulted in significant inhibition of NF-kB activation pathways both in exercising and in control animals. Moreover, gene expression of a key regulator of atrophy, atrogin-1, was significantly reduced by exercise training. After PDTC-induced blocking of NF-kB signaling, atrogin-1 expression was already low in sedentary animals and did not further decrease with training. These data suggest that inhibition of atrogin-1 expression might be one mechanism by which regular exercise might contribute to the prevention and therapy of muscle-wasting conditions.
However, expression of genes encoding other sarcomere-associated factors, such as muscle ring-finger protein-1 (MURF-1), α-actinin 3 (ACTN3), skeletal muscle nascent polypeptide-associated complex alpha (skNAC) or set and mynd domain containing 1 (SMYD1) was not altered by exercise or PDTC treatment.
In addition, expression of the gene encoding peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coacticator 1 alpha (PGC-1α), a metabolic marker of endurance training, and of other metabolic and mitochondrial markers was not altered by exercise and/or PDTC treatment.
In response to an acute bout of exercise, we observed differential expression of a broad variety of genes, encoding mediators of acute inflammatory, oxidative and metabolic stress reactions. Most of them were modulated by parallel PDTC treatment in a complex manner. Specifically, the genes encoding Interleukin 6 receptor (IL-6R) and v-maf avian musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog f (MAFF) were induced by exercise. These effects were almost completely abolished by parallel PDTC application. Acute exercise in combination with PDTC treatment dampened expression of the gene encoding the anti-inflammtory zinc finger protein 36 (ZFP36). By contrast, expression of the gene encoding the protein phosphatase 1 regulatory subunit 3 a (PPP1R3A) increased after PDTC-application in exercised as well as in sedentary mice when compared to the respective control groups.
In contrast to long-term treatment, a single injection of PDTC did not affect IkB-α-protein levels, suggesting that there was no robust NF-kB inhibition. Thus, other effects of PDTC are likely to be responsible for the abovementioned effects on gene expression. Specifically, due to the free-radical scavenging properties of PDTC, it is conceivable that PDTC might have influenced the concentration of reactive oxygen species (ROS) and thus ROS signaling pathways in these animals.
Taken together, we could demonstrate specific gene-regulatory effects of both acute and chronic exercise in murine skeletal muscle tissue (specifically the M. tibialis anterior), which were modulated by PDTC treatment. Interestingly, we found effects on regulators of a broad variety of cellular processes, such as inflammation/anti-inflammation, metabolism, or sarcomerogenesis.
Our findings might have interesting therapeutic implications, specifically with respect to potential interactions of anti-inflammatory medication and exercise-based therapeutic regimens, for example in the context of muscle wasting conditions. Der Einfluss von körperlichem Training auf die Aktivität des Transkriptionsfaktors nuclear factor-kB (NF-kB) im Skelettmuskel wurde bisher nur wenig untersucht. Verschiedene Autoren konnten bei einer einmaligen „Akutbelastung“ eine NF-kB-Aktivierung beobachten. Die Effekte von regelmäßigem, „chronischem“ Training werden jedoch kontrovers diskutiert: Einige Studien konnten eine erhöhte NF-kB-Aktivität nach „chronischem“ Training nachweisen, in anderen ergab sich dagegen eine reduzierte Aktivität dieses Transkriptionsfaktors im Skelettmuskelgewebe. Die Frage, ob die NF-kB-Aktivität durch Training beeinflusst wird, ist insbesondere aufgrund der Tatsache interessant, dass für den NF-kB-aktivierenden Faktor tumor necrosis factor- receptor associated factor (TRAF6) eine Beteiligung an kachektischen Prozessen, also Skelettmuskelkatabolismus im Zusammenhang mit chronischen Erkrankungen, nachgewiesen ist: Fehlt TRAF6, so sind kachektische Prozesse deutlich verlangsamt, was wiederum auf einer verminderten NF-kB-Aktivität im Skelettmuskel beruhen könnte.
Da körperliches Training ebenfalls einen kachexiepräventiven Effekt hat, ergab sich für diese Arbeit zunächst die Frage, welchen Einfluss Training auf die NF-kB-Aktivität und die TRAF6-Konzentration im Skelettmuskel hat. Hierfür wurde ein Laufbandtrainingsmodell etabliert. Dabei wurden Mäuse der Linie C57BL/6J sowohl einem zehnwöchigen „chronischen“ als auch einem einmaligen „akuten“ Laufbandtraining unterzogen. Im Vergleich zu entsprechenden „inaktiven“ Kontrolltieren ergaben sich bei beiden Versuchsansätzen keine Unterschiede bezüglich der NF-kB-Aktivität oder der TRAF6-Konzentration im Skelettmuskel M. tibialis anterior, was dagegen spricht, dass ein Lauftraining diese Faktoren unmittelbar beeinflusst. Möglich wäre jedoch, dass entsprechende Veränderungen aufgrund des Versuchsdesigns nicht erfasst wurden. Um daher zu analysieren, ob eine Hemmung der NF-kB-Aktivität die Trainingsanpassung des Skelettmuskels beeinflusst, wurde ein Teil der Tiere zusätzlich mit dem NF-kB-Inhibitor Pyrrolidindithiocarbamat (PDTC) behandelt, wobei eine erfolgreiche Hemmung zumindest bei den Mäusen, die über zehn Wochen behandelt worden waren, eindeutig nachweisbar war. Zudem ergab sich bei diesen Tieren, dass zumindest auf mRNA-Ebene das für die E3-Ubiquitin-Ligase Atrogin-1 kodierende Gen durch den Trainingsreiz reprimiert wurde. Nach PDTC-Behandlung war die Atrogin-1-Expression dagegen schon in untrainierten Tieren vergleichbar niedrig und wurde durch ein Training nicht weiter reprimiert. Da Atrogin-1 einen wichtigen Faktor beim Abbau von Sarkomerproteinen darstellt und bei kachektischen Prozessen in erhöhter Konzentration vorliegt, unterstützt dieser Befund die These, dass körperliches Training katabolen Prozessen im Skelettmuskel, z. B. einer Kachexie, entgegenwirken könnte. Jedoch blieb die Expression einiger weiterer Gene, deren Produkte neben Atrogin-1 mit Sarkomerauf-, -ab- und -umbau assoziiert sind, wie α-actinin 3 (Actn3), muscle ring-finger protein-1 (Murf1), skeletal muscle nascent polypeptide-associated complex alpha (skNac) und set and mynd domain containing 1 (Smyd1), nach mehrwöchigem Training und/oder dauerhafter PDTC-Behandlung unbeeinflusst. Überraschenderweise zeigte auch das mit Ausdauertraining assoziierte peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coacticator 1 alpha (Pgc-1α)-Gen, welches für einen Regulator der Mitochondrien-funktion kodiert, keine Regulation. Diese Daten sprechen dafür, dass sowohl ein regelmäßiges Lauftraining als auch eine länger andauernde PDTC-Behandlung das Genexpressionsmuster im murinen Skelettmuskel dauerhaft überraschend wenig und vermutlich eher sehr spezifisch modulieren.
In Antwort auf eine „akute“ Laufbelastung war dagegen die Expression anderer Gene reguliert. Insbesondere das Il-6r-Gen, welches für den Rezeptor des proinflammatorischen Zytokins Interleukin-6 (IL-6) kodiert, war nach einer einmaligen Laufeinheit signifikant induziert. Diese Induktion wurde durch PDTC reprimiert. Ein ähnlicher Effekt konnte in Bezug auf die Expression des v-maf avian musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog f (Maff)-Gens, das in die oxidative Stressantwort involviert ist, beobachtet werden. Das zinc finger protein 36 (Zfp36)-Gen, welches für das antiinflammatorisch wirkende ZFP36-Protein kodiert, wurde dagegen durch eine Kombination aus Laufen und PDTC-Behandlung reprimiert. Schließlich konnte für das protein phosphatase 1 regulatory subunit 3 a (Ppp1r3a)-Gen, welches für einen Regulator des Glykogenmetabolismus im Skelettmuskel kodiert, nach einer PDTC-Medikation sowohl bei den „Läufern“ als auch bei den „Nichtläufern“ gegenüber der jeweiligen unbehandelten Kontrollgruppe eine Induktion beobachtet werden. Da jedoch bei den „akut“ belasteten Tieren die NF--hemmende Wirkung des PDTCs nicht direkt nachgewiesen werden konnte, sind für diese Effekte ggf. andere PDTC-Wirkungen verantwortlich, insbesondere eine Beeinflussung der Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und damit eine Beeinflussung ROS-vermittelter Signalwege.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass sehr spezifische Gene aus unterschiedlichen zellulären Funktionsbereichen (Pro-/Anti-Inflammation, Sarkomerumbau, Metabolismus) im Rahmen einer Trainingsanpassung des Skelettmuskels (speziell des M. tibialis anterior) reguliert werden und dass die entsprechenden Genexpressionsmuster auf komplexe Art und Weise durch eine PDTC-Applikation beeinflusst werden. Aus den Resultaten dieser Arbeit könnten sich interessante therapeutische Ansatzpunkte ergeben, z. B. hinsichtlich der Frage, wie sich eine antiinflammatorisch wirkende Komedikation auf die Erfolge einer Trainingstherapie auswirkt.