Trainingsanpassung und epigenetische Modifikationen in der Skelettmuskulatur

Skelettmuskelgewebe besitzt eine hohe Plastizität und reagiert mit einer Vielfalt von Anpassungsreaktionen auf körperliches Training. Eine möglichst genaue Kenntnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist wichtig, um trainingsbasierte Therapiekonzepte, die bei vielen Krankheiten (wie z.B. Diabetes, Adipositas, COPD) eine Rolle spielen, neu zu entwickeln bzw. zu verbessern.
In jüngster Zeit mehren sich die Hinweise darauf, dass insbesondere epigenetische Mechanismen an der Steuerung der Trainingsanpassung beteiligt sind. Dabei sind vor allem DNA-Methylierungen, Regulation der Genexpression über micro-RNAs und Histonmodifikationen, in erster Linie differentielle Histonazetylierungen und –methylierungen, zu nennen.
Insbesondere gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass die Mono- bis Trimethylierung des Histons 3 an Lysin 4 (H3K4me1-3) eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Skelettmuskel-Genexpression in Antwort auf körperliches Training spielen könnte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde im murinen Modellsystem anhand eines Laufbandtrainings das physiologische Anpassungsmuster der Mäuse an dieses Training charakterisiert, mit spezifischem Fokus auf mögliche Veränderungen des Histon-Methylierungsmuster in der Skelettmuskulatur (M.gastrocnemius). Hierfür wurden acht Mäuse der Linie C57BL6N in zwei Gruppen zu je vier Mäusen unterteilt, wobei die eine Gruppe (Läufer) ein zehnwöchiges Laufbandtraining absolvierte und die andere Gruppe (Nichtläufer) als Kontrollgruppe diente.
Um den Einfluss des Trainings auf physiologische Parameter zu bestimmen, wurden beide Gruppen vergleichend hinsichtlich des Skelettsystems, des Fettgewebes, des Herz-Kreislaufsystems, des Blutes und der Skelettmuskulatur untersucht. Insbesondere das Skelettsystem und das Blut betreffend wiesen die beiden untersuchten Gruppen Unterschiede auf. Bei der Untersuchung der Tibia zeigten sich signifikante Unterschiede (p<0,05) im Bereich der BP (größte Breite proximal) und der KD50% (kleinste Breite Diaphyse). Die BP war in der Gruppe der Läufer signifikant erniedrigt, was vermutlich durch die eher trabekuläre knochenstruktur der proximalen Epiphyse und deren Anpassung an die durch das Laufbandtraining mit Steigung hervorgerufenen axialen Kompressionskräfte zu erklären ist. Die KD50% war dagegen in der Gruppe der Läufer signifikant erhöht, was vermutlich auf eine Erhöhung der Knochendicke insbesondere im Bereich der Kortikalis zurückzuführen ist. Weitere Untersuchungen, insbesondere die Knochengeometrie betreffend, sind hier nötig um mögliche Veränderungen im Bereich der Kortikalis, der Diaphyse und auch der periostalen Expansion im proximalen und distalen Bereich zu verifizieren.
Bei der Untersuchung der einzelnen Blutparameter zeigte sich ein deutlich signifikanter Unterschied (p<0,001) bei den weißen Blutkörperchen (WBC); diese waren bei den Läufern signifikant erniedrigt. Weiße Blutkörperchen stellen einen Bestandteil des Immunsystems dar, so dass davon ausgegangen werden kann, dass das durchgeführte Laufbandtraining zu einer Suppression von Entzündungsreaktionen führte, welche sich auch in der Auswertung des durchgeführten Zytokin-Arrays zeigte. Das durchgeführte Training hatte somit eine anti-inflammatorische Wirkung, was bereits in vorhergegangen Studien gezeigt werden konnte.
Im Anschluss an das Laufbandtraining wurde der M.gastrocnemius auf Veränderungen des Histon-Methylierungsmusters (H3K4-Mono-, Di-, und Trimethylierung) hin untersucht. Zusätzlich wurde die Skelettmuskulatur der Hinterextremität von fünf weiteren, nicht in die Trainingsstudie eingeschlossenen „Testmäusen“ auf ihr Histon-Methylierungsmuster analysiert, um vergleichende Basiswerte zu erhalten. Bei der Untersuchung dieser Testmäuse zeigte sich, dass insbesondere der M.quadriceps eine deutlich höhere relative Signalstärke bei der H3K4-Dimethylierung zeigte als der Rest der untersuchten Muskulatur der Hinterextremität. Um ein genaueres Bild der physiologischen Histon-Methylierungsmuster der Skelettmuskulatur zu erhalten, sind jedoch weitere Analysen einer größeren Anzahl an Mäusen erforderlich, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erhalten.
Bei der Untersuchung der Histon-Methylierungsmuster der Mäuse aus dem Trainingsmodell zeigte sich für den M.gastrocnemius für die Gruppe der Läufer eine im Vergleich zu den Nichtläufern niedrigere relative Signalstärke für die H3K4-Dimethylierung, so dass hier von einer Anpassung an das durchgeführte Training ausgegangen werden kann. Auch hier sind jedoch weitere Untersuchungen mit einer größeren Individuenanzahl nötig, um die Anpassungen des Methylierungsmusters an körperliches Training zu untersuchen. Die Untersuchung der H3K4-Trimethylierung an murinem Muskelgewebe konnte in der vorliegenden Arbeit leider nicht erfolgen, da die Antikörper zwar in einem Vorversuch an murinen C2C12 Zellen und humanen HeLA und RMZ Zellen getestet wurden, jedoch beim murinen Muskelgewebe kein spezifisches Bandenmuster zeigten, so dass auch hier weitere Untersuchungen nötig sind.
Aus den Resultaten dieser Arbeit könnten sich interessante therapeutische Implikationen ergeben, z.B. in Zusammenhang mit einer pharmakologischen Beeinflussung von Histonmethylierungsmustern.
"Training adaptation and epigenetic modifications in skeletal muscle"

Skeletal muscle tissue has a high plasticity and reacts with a variety of adaptive responses to physical training Understanding the underlying mechanisms is important to develop, improve and refine training-based therapy concepts that play a role in many diseases (such as diabetes, obesity, COPD).
There is increasing evidence that epigenetic mechanisms in particular are involved in controlling exercise adaptation. Specifically, DNA methylation, regulation of gene expression via microRNAs, and histone modifications, primarily differential histone acetylations and methylations might be important.
In particular, there is much evidence that mono- to trimethylation of histone 3 on lysine 4 (H3K4me1-3) could play a crucial role in the regulation of skeletal muscle gene expression in response to exercise.
Within the scope of this work, a mouse model was used to characterize the physiological adaptation pattern to training, with a specific focus on possible changes of the histone methylation pattern in skeletal muscle (m.gastrocnemius) tissue. For this purpose, eight mice of the C57BL6N line were divided into two groups of four mice, with one group (runners) performing a treadmill training for ten weeks and the other group (non-runners) as a “sedentary” control group.
In order to determine the influence of the training on physiological parameters, both groups were examined with regard to the skeletal system, adipose tissue, cardiovascular system, blood and skeletal muscle. In particular, the skeletal system and blood showed significant differences between the two groups studied. Examination of the tibia revealed significant differences (p <0.05) in BP (largest width proximal) and KD50% (smallest width diaphysis). BP was significantly decreased in the runners group, presumably due to the more trabecular structure in the proximal epiphysis and adaptation to the axial compressive forces caused by treadmill training. By contrast the KD50% was significantly increased in the group of runners, which is probably due to an increase in thickness, especially in the cortical area. Further investigations, especially concerning the geometry of the bone, are necessary to verify possible changes in the cortical area of the diaphysis as well as the periosteal expansion in the proximal and distal area.
Examination of the individual blood parameters revealed a significant difference (p <0.001) in white blood cells (WBC); these were significantly reduced in the runners. White blood cells are an integral part of the immune system, so it can be assumed that the treadmill training resulted in a suppression of inflammatory reactions, which was also reflected in the evaluation of the cytokine array. The training thus led to an anti-inflammatory effect, which could already be shown in previous studies.
Following treadmill training, the m.gastrocnemius was examined for changes in the histone methylation pattern (H3K4 mono-, di-, and trimethylation). In addition, the hindlimb skeletal muscle of five other “test mice” (not included in training study) was examined for its histone methylation pattern to obtain basal data. Examination of these mice revealed that m.quadriceps in particular showed a significantly higher relative degree of H3K4 dimethylation than the rest of the examined hindlimb muscles. However to obtain a more accurate picture of the physiological methylation patterns of skeletal muscle, further analyzes of a larger number of mice are required to obtain statistically significant results on histone methylation patterns.
When investigating the methylation patterns of the mice from the training model, we found that the m.gastrocnemius showed a lower relative degree of the dimethylation for the group of runners when compared to the control group, so that an adaptation to the training can be assumed. Nevertheless, again, further investigations with a larger number of individuals are necessary to investigate the adaptations of the methylation pattern to physical training. Unfortunately, H3K4 trimethylation on murine muscle tissue could not be analyzed, because even though the antibodies had been tested in a preliminary test on murine C2C12 cells and human HeLA and RMZ cells, we could not detect a specific signal in murine muscle tissue.
From the results of this work, interesting therapeutic implications could arise, e.g. with regard to pharmacological interventions aiming at modifying histone methylation patterns.