Dokument: Identification and Characterization of Novel Myokines
| Titel: | Identification and Characterization of Novel Myokines | |||||||
| Weiterer Titel: | Identifizierung und Charakterisierung neuer Myokine | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=35771 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20151005-095324-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Görgens, Sven [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Eckel, Jürgen [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Urlacher, Vlada B. [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Myokine, Exercise, Skeletal muscle | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | Nowadays, the prevalence of type 2 diabetes is increasing worldwide and reaches epidemic proportions already. Physical inactivity and obesity are closely associated with muscle insulin resistance, which is a major risk factor for the pathogenesis of type 2 diabetes. In the last few years research has shown that obesity leads to a chronic low-grade inflammation within adipose tissue and affects the insulin sensitivity of other organs and tissues. In contrast, regular physical activity does not only prevent obesity, but also considerably improves insulin sensitivity and skeletal muscle metabolism. Skeletal muscle has recently been identified as an endocrine organ that produces and releases cytokines and other peptides, which have been named “myokines”. Considering that skeletal muscle is the largest organ in the human body and the discovery that contracting skeletal muscle secretes proteins sets a novel paradigm: skeletal muscle is an endocrine organ producing and releasing myokines in response to contraction, which can influence metabolism in other tissues and organs.
Therefore, the starting point of the present work was to identify and characterize novel contraction-induced myokines in vitro and in vivo, and to analyze their biological functions in human skeletal muscle cells. We demonstrated for the first time that the myokine follistatin-like protein 1 (Fstl1) is differentiation-dependently expressed and released by human skeletal muscle cells. Furthermore, we show that an acute bout of exercise performed by healthy young men increased Fstl1 serum levels significantly. However, electrical pulse stimulation of primary human myotubes revealed no regulation by in vitro contraction. However, treatment of human myotubes with different concentrations of recombinant Fstl1 had no effect on basal or insulin-stimulated Akt or GSK-3 phosphorylation. With comprehensive proteomic profiling of the human myocyte secretome our working group identified chitinase-3-like protein 1 (CHI3L1) as a novel myokine. Moreover, by using four independent exercise studies we clearly demonstrated that circulating CHI3L1 levels as well as muscle CHI3L1 mRNA expression was up-regulated after acute exercise. Therefore, we classified CHI3L1 as a novel contraction-regulated myokine. Furthermore, incubation of cultured human myoblasts with CHI3L1 protein leads to a strong activation of p44/42, p38 MAPK and Akt as well as enhanced myoblast proliferation. Our findings suggest that CHI3L1 is a contraction-induced myokine, potentially acting in an autocrine or paracrine fashion to induce myocyte proliferation for restructuring of skeletal muscle after exercise. In addition, CHI3L1 treatment diminished the TNFα-induced inflammation in differentiated myotubes. Also, impaired insulin action at the level of Akt and glycogen synthase kinase (GSK) 3α/ß phosphorylation and insulin-stimulated glucose uptake was normalized by CHI3L1. In conclusion, the novel myokine CHI3L1 which is induced by pro-inflammatory cytokines and exercise can counteract TNFα-mediated inflammation and insulin resistance in human skeletal muscle cells, potentially involving an auto/paracrine mechanism. Exercise is accompanied by a decrease in intramuscular oxygen levels resulting in an increased HIF-1α protein abundance. HIF-1α is a master regulator of gene expression and could play an important role in skeletal muscle function and metabolism. Thus we examined the role of oxygen in insulin- and contraction-stimulated glucose metabolism in primary human skeletal muscle cells. We show that exposure of these cells to a lower oxygen tension (7% O2) in combination with electrical pulse stimulation (EPS) for 24 h improves insulin action at the level of insulin signaling and glucose uptake. Furthermore, the combination of 7% O2 and EPS resulted in an enhanced IL-6 production and secretion as well as HIF-1α and GLUT4 protein expression. In contrast, knockdown of HIF-1α totally inhibits the insulin- and contraction-induced glucose uptake. Additionally, human skeletal muscle HIF-1α mRNA expression was enhanced after acute and chronic exercise and positively correlates with whole body insulin sensitivity of the participants. The ability to induce HIF-1α by exercise was reduced in pre-diabetic subjects. In conclusion, we demonstrated that HIF-1α is involved in the regulation of glucose metabolism in human skeletal muscle induced by both stimuli, insulin and contraction. It may be anticipated that the insulin-sensitizing effect of exercise is at least partly a result of HIF-1α-regulated gene expression of the insulin signaling cascade and related downstream metabolic targets. Taken together, our findings may provide a better understanding for the endocrine role of the skeletal muscle producing and releasing myokines, which potentially influence skeletal muscle metabolism itself and/or contribute to regulate the functions of other tissues in an inter-organ crosstalk. In addition, we demonstrated that skeletal muscle HIF-1α is a critical determinant for insulin- and exercise-regulated glucose metabolism in human skeletal muscle and could be used as a therapeutically relevant target to improve insulin sensitivity in human.Die Anzahl der Typ 2 Diabetiker steigt weltweit rapide an und erreicht mittlerweile epidemische Ausmaße. Gefördert wird die Pathogenese des Typ 2 Diabetes durch die Kombination von Adipositas und Bewegungsmangel. Beides führt zu einer Insulinresistenz des Skeletmuskels, welche zu einer der wichtigsten Ursachen für die Entwicklung des Typ 2 Diabetes zählt. Die Forschung der letzten Jahre hat gezeigt, dass Adipositas zu einer subklinischen, chronischen Inflammation des Fettgewebes führt, welche die Insulinwirkung im Fettgewebe selbst als auch in anderen Organen und Geweben negativ beeinflusst. Regelmäßige körperliche Bewegung hingegen verbessert nicht nur die Energiebilanz sondern auch die Insulinsensitivität des Skelettmuskels und dient daher zur Vorbeugung des Typ 2 Diabetes. Aktuelle Forschung deutet darauf hin, dass der kontrahierende Skelettmuskel Hormone freisetzt, welche Myokine (griechisch „Mys“: Muskel und „kinos“: Bewegung) genannt werden einen positiven Einfluss auf die Funktion der Skelettmuskulatur ausüben. Jedoch können diese Myokine auch endokrin wirken und entzündungshemmende, Knochen stärkende und neuroprotektive Effekte vermitteln. Dies stellt einen Paradigmenwechsel der Bedeutung der Skelettmuskulatur für die Gesundheit dar, in der der Skelettmuskel nicht ausschließlich für die Umwandlung von chemischer Energie in kinetische Energie verantwortlich ist, sondern auch als endokrines Organ berücksichtigt wird. Aus diesem Grunde war das Ziel dieser Arbeit, neue kontraktions-regulierte Myokine zu identifizieren und ihre potentiellen auto-/parakrinen Effekte auf die Skelettmuskulatur zu untersuchen. In dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass das Myokin Follistatin-like protein 1 (Fstl1) in humanen Skelettmuskelzellen differenzierungsabhängig exprimiert und sekretiert wird. Jedoch konnten wir keine Verbesserung der Insulinwirkungen durch Fstl1 Behandlung in humanen Skelettmuskelzellen beobachten. Darüber hinaus führte die Kontraktion von Skelettmuskelzellen in vitro nicht zu einer erhöhten Expression oder Freisetzung von Fstl1. Dennoch konnte gezeigt werden, dass durch 60 minütiges Fahrradfahren der Serumlevel von Fstl1 signifikant erhöht wird. Somit bleibt die Frage offen, welches Gewebe oder Organ für die erhöhte Freisetzung nach sportlicher Betätigung verantwortlich ist. Darüber hinaus konnte in dieser Arbeit erstmalig Chitinase-3-like protein 1 (CHI3L1) als ein neues kontraktions-reguliertes Myokin beschrieben werden. Durch verschiedene Sportstudien konnten wir zeigen, dass die Expression im Muskel sowie die zirkulierende Konzentration von CHI3L1 nach körperlicher Aktivität signifikant zunahmen. Desweitern konnten wir belegen, das CHI3L1 die Proliferation von Skelettmuskel-Vorläuferzellen fördert und somit die Muskeladaption nach körperlicher Belastung verbessert. Darüber hinaus schützt CHI3L1 die Skelettmuskulatur vor Inflammation und der daraus resultierender Insulinresistenz. CHI3L1 ist somit ein neues kontraktions-reguliertes Myokin, welches entscheidende Prozesse im Muskel fördert, die zu einer Verbesserung der Funktion und des Metabolismus innerhalb der Skelettmuskulatur führen. Seit längerem ist bekannt, dass die Sauerstoffkonzentration einen erheblichen Einfluss auf die Funktion der Skelettmuskulatur hat und dass körperliche Aktivität unter reduzieren Sauerstoffbedingungen die Insulinsensitivität von Typ 2 Diabetikern viel effektiver verbessert als körperliche Aktivität unter normalen (21%) Sauerstoffbedingungen. Der zugrundeliegende Mechanismus dieser Verbesserung und die Rolle der Skelettmuskulatur in diesem Szenario sind jedoch weitestgehend unerforscht. Wir untersuchten in dieser Arbeit, ob die Kombination von reduzierten Sauerstoffbedingungen und Muskelkontraktion die Insulinsensitivität im Skelettmuskel verbessert. Hierfür etablierten wir ein in vitro System, in welchem die Muskelkontraktion von primären human Skelettmuskelzellen unter reduzierten Sauerstoffbedingungen durchgeführt werden konnte. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Muskelkontraktion unter reduzierten (7% vs. 21%) Sauerstoffkonzentrationen zu einer Verbesserung der Insulinsensitivität in Bezug auf den Insulin Signalweg und die Insulin-induzierte Glukoseaufnahme führt. Darüber hinaus führte die Kombination aus 7% Sauerstoff und Muskelkontraktion zu einer erhöhten Expression von GLUT4 und dem Transkriptionsfaktor HIF-1α. Durch die Hemmung der Genexpression von HIF 1α konnten wir zeigen, dass HIF-1α essential für den Insulin- und Kontraktions-regulierten Glukosemetabolismus im Skelettmuskel ist. Des Weitern konnten wir zeigen, dass die Expression von HIF-1α im Skelettmuskel durch körperliche Aktivität reguliert wird und die Expression positiv mit der Insulinsensitivität der Probanden korreliert. Infolgedessen kann man vermuten, dass die Insulin Sensibilisierung durch regelmäßiger körperlicher Aktivität zum Teil von HIF-1α reguliert wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Skelettmuskel Myokine produziert und freisetzt, die einen positiven Einfluss auf den Metabolismus und die Funktion des Skelettmuskel haben, indem sie die Muskelregeneration und das Wachstum nach körperlicher Belastung fördern und den Muskel vor dem negativen Einfluss von pro-inflammatorischen Cytokinen schützen. Des Weitern konnte gezeigt werden, dass der Transkriptionsfaktor HIF 1α ein essentieller Faktor für den Insulin- und Kontraktions-regulierten Glukosemetabolismus im Skelettmuskel ist und somit ein potentielles Target für die Behandlung des Typ 2 Diabetikers darstellen könnte. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 05.10.2015 | |||||||
| Dateien geändert am: | 05.10.2015 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 24.06.2015 | |||||||
| Datum der Promotion: | 16.07.2015 |
