Autophagy as the main proteolytic pathway in human skeletal muscle in response to acute hypoxia

Stijn Van Driessche
Hypoxie? Prestatie bevorderend en toch schadelijk!Wat zeggen onze spieren?Is het niet fascinerend om te zien hoe het menselijk lichaam zich altijd weer aanpast aan de meest extreme leefomstandigheden? Van de koudste poolgebieden tot broeierige regenwouden, van droge en barre plekken in  woestijnen tot ijle hoogvlaktes, overal vind je wel mensen of sporen van menselijke beschaving. Hoe slaagt de mens er toch in om altijd weer een soort van ‘biologisch compromis’ te sluiten met moeder natuur om op zulke extreme locaties te kunnen gedijen?

Autophagy as the main proteolytic pathway in human skeletal muscle in response to acute hypoxia

Hypoxie? Prestatie bevorderend en toch schadelijk!

Wat zeggen onze spieren?

Is het niet fascinerend om te zien hoe het menselijk lichaam zich altijd weer aanpast aan de meest extreme leefomstandigheden? Van de koudste poolgebieden tot broeierige regenwouden, van droge en barre plekken in  woestijnen tot ijle hoogvlaktes, overal vind je wel mensen of sporen van menselijke beschaving. Hoe slaagt de mens er toch in om altijd weer een soort van ‘biologisch compromis’ te sluiten met moeder natuur om op zulke extreme locaties te kunnen gedijen? De onderzoeksgroep inspanningsfysiologie aan de Katholieke Universiteit Leuven tracht dit biologisch compromis deels te achterhalen en verklaren door de fysiologische responsen van het menselijk lichaam op verschillende omgevingsfactoren te onderzoeken.

Een specifiek onderzoeksthema binnen deze groep omvat het onderzoek naar de fysiologische responsen op zuurstoftekort als gevolg van een verblijf op grote hoogte. Neem nu het voorbeeld van de vele Vlamingen die tijdens hun vakantie, voor het goede doel of als persoonlijke uitdaging het hooggebergte gaan trotseren. Sommige van deze ‘laaglanders’ vertonen al op een hoogte van 2500 meter enkele ziekteverschijnselen als hoofdpijn of duizeligheid. Deze verschijnselen verstaan we beter onder de verzamelterm ‘hoogteziekte'. Deze ziekte is een gevolg van de lagere luchtdruk, waardoor de ingeademde lucht minder zuurstof bevat. Zo een toestand van zuurstoftekort wordt hypoxie genoemd. Doordat het lichaam op grote hoogten te kampen krijgt met een toestand van hypoxie, zal het ook moeilijker zijn om een inspanning op hoogte te leveren dan één op zeeniveau. Hoewel de Tibetanen en Quechuas, die al duizenden generaties boven de 3500 meter leven,  daar duidelijk geen last van hebben. Het is algemeen geweten dat, om dit  zuurstoftekort te compenseren, het lichaam zich na enkele weken zal aanpassen door extra rode bloedcellen aan te maken, waardoor de hematocrietwaarde stijgt. Hierdoor kan zuurstof efficiënter worden gebruikt. Het is ook om die reden dat vele sporters op hoogtestage gaan.

Zo een acute blootstelling aan hypoxie kan je natuurlijk niet onmiddellijk verhelpen.  Er zijn naast de aanmaak van rode bloedcellen ook nog andere aanpassingen van het lichaam vastgesteld die minder voordelig zijn voor een sporter. Een toestand van hypoxie gaat namelijk gepaard met een verlies aan spiermassa. De term hypoxie beperkt zich ook niet tot een zuurstoftekort in het hooggebergte, maar kan ook pathologisch van aard zijn. Hypoxie op weefselniveau kan bijvoorbeeld voorkomen bij zowel bloedarmoede, chronisch obstructief longlijden als chronisch hartfalen. In deze studie stelden we ons de vraag hoe dit verlies aan spiermassa als gevolg van pathologische- of omgevingshypoxie mogelijk is en in het bijzonder via welke mechanismen. Zo kan achterhaald worden hoe het lichaam zich aanpast aan de extreme omstandigheden op hoogte en kan deze kennis in de toekomst gebruikt worden om de nadelige gevolgen van enkele ziekten te bestrijden. 

Omdat het nog verre van duidelijk was hoe de moleculaire mechanismen van het verlies in skeletspiermassa werken, werd het effect van hypoxie (11% O₂; zuurstofgehalte vergelijkbaar met een hoogte van 5000 meter, ‘basiskamp op de Mount Everest’) op het spiermetabolisme in rust en na inspanning vergeleken met de condities in normoxie (20.9% O₂; zuurstofgehalte vergelijkbaar met zeeniveau). Proefpersonen werden in de normobare  hoogtekamer van de KU Leuven geplaatst. Hierin blijft de luchtdruk dezelfde en wordt enkel het zuurstofgehalte aangepast. Ze verbleven hier zowel in normoxie als in hypoxie en moesten na 6u30 een submaximale inspanning van 20 minuten uitvoeren. Spierbiopten werden genomen voor en na de inspanning in beide condities om op die manier het effect van hypoxie te kunnen vergelijken met normoxie en eventueel een bijkomend effect van een submaximale inspanning te kunnen waarnemen.

De spierbiopten werden verder geanalyseerd om het mechanisme achter het verlies aan spiermassa te achterhalen. Omdat dit verlies gekenmerkt wordt door een onevenwicht tussen de synthese en afbraak van proteïnen in de spieren, hebben wij de expressie en activatie van enkele proteïnen onderzocht die als merkers kunnen dienen voor deze processen. Het mechanisme van proteïnesynthese is al vaker beschreven en onderzocht en vaak concludeerde men dat een verlies aan spiermassa het gevolg was van een mindere aanmaak van proteïnen. In deze studie werd daarnaast dieper ingegaan op het mechanisme van proteïneafbraak, wat een nieuw licht kan werpen op het globale mechanisme.

Uit de onderzoeksresultaten blijkt dat in geval van een korte blootstelling aan hypoxie geen verandering in proteïnesynthese plaatsvindt, maar dat er een grotere proteïneafbraak is ten gevolge van hypoxie. Dit effect wordt nog versterkt door een bijkomende inspanning. Dit wil zeggen dat er niet minder eiwitten worden aangemaakt, maar dat er meer eiwitten worden afgebroken. Deze studie toont ook als eerste aan dat een belangrijke component van de afbraak van proteïnen werkt volgens het mechanisme van autofagie. Hierbij worden proteïnen door een dubbel membraan omsloten en met behulp van lysosomen afgebroken.  In het bijzonder werd de expressie van essentiële proteïnen binnen de ‘autophagy lysosome pathway’, namelijk LC3b en p62, beïnvloed.

Deze bevindingen kunnen ons helpen om de regeling van het spiermetabolisme beter te begrijpen en de toepassingen ervan kunnen van belang zijn voor bergbeklimmers op hoogte of voor patiënten die lijden aan een hypoxie-gerelateerde ziekte. Het beter begrijpen van de mechanismen nu is een stap dichter bij het vinden van een remedie in de toekomst.

Bibliografie
  1. Ameln H, Gustafsson T, Sundberg CJ, Okamoto K, Jansson E, Poellinger L, Makino Y. Physiological activation of hypoxia inducible factor-1 in human skeletal muscle. The FASEB Journal. 2005;19:1009-1011.

 

  1.    Arsham AM, Howell JJ, Simon MC. A novel hypoxia-inducible factor-independent hypoxic response regulating mammalian target of rapamycin and its targets. J Biol Chem. 2003;278:29655–29660.

 

  1.    Bellot G, Garcia-Medina R, Gounon P, Chiche J, Roux D, Pouysségur J, Mazure NM. Hypoxia-induced autophagy is mediated through hypoxia-inducible factor induction of BNIP3 and BNIP3L via their BH3 domains. Mol Cell Biol. 2009;29:2570–2581.

 

  1. Brugarolas J, Lei K, Hurley RL, Manning BD, Reiling JH, Hafen E, Witters LA, Ellisen LW, Kaelin Jr WG. Regulation of mTOR function in response to hypoxia by REDD1 and the TSC1/TSC2 tumor suppressor complex. Genes Dev. 2004;18:2893-2904.

 

  1.    Cannata DJ, Ireland Z, Dickinson H, Snow RJ, Russell AP, West JM, Walker DW. Maternal creatine supplementation from mid-pregnancy protects the diaphragm of the newborn spiny mouse from intrapartum hypoxia-induced damage. Pediatr Res. 2010;68:393–398.

 

  1. Caron E, Ghosh S, Matsuoka Y, Ashton-Beaucage D, Therrien M, Lemieux S, Perreault C, Roux PP, Kitano H. A comprehensive map of the mTOR signaling network. Mol Syst Biol. 2010;6.

 

  1.    Carraro F, Stuart CA, Hartl WH, Rosenblatt J, Wolfe RR. Effect of exercise and recovery on muscle protein synthesis in human subjects. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 1990;259:E470-76.

 

  1.    Chaudhary P, Suryakumar G, Prasad R, Singh SN, Ali S, Ilavazhagan G. Chronic hypobaric hypoxia mediated skeletal muscle atrophy: role of ubiquitin–proteasome pathway and calpains. Mol Cell Biochem. 2012;364:101–113.

 

  1. Deldicque L, Theisen D, Francaux M. Regulation of mTOR by amino acids and resistance exercise in skeletal muscle. J Appl Physiol. 2005;94: 1-10.

 

  1. de Theije C, Costes F, Langend RC, Pisone C, Goskerd HR. Hypoxia and muscle maintenance regulation: implications for chronic respiratory disease. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2011;14: 548–553.

 

  1. Doucet M, Russell AP, Leger B, Debigaré R, Joanisse DR, Caron MA, LeBlanc P, Maltais F. Muscle atrophy and hypertrophy signaling in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med. 2007;176:261–269.

 

  1. Etheridge T, Atherton PJ, Wilkinson D, Selby A, Rankin D, Webborn N, Smith K, Watt PW Effects of hypoxia on muscle protein synthesis and anabolic signaling at rest and in response to acute resistance exercise. Am.J.Physiol Endocrinol.Metab. 2011;301: E697-E702.

 

  1. Favier F B, Costes F, Defour A, Bonnefoy R, Lefai E, Bauge S, Peinnequin A, Benoit H, Freyssenet D. Downregulation of Akt/mammalian target of rapamycin pathway in skeletal muscle is associated with increased REDD1 expression in response to chronic hypoxia. Am.J.Physiol Regul.Integr.Comp Physiol. 2010;298: R1659-R1666.

 

  1. Glass DJ. Skeletal muscle hypertrophy and atrophy signaling pathways. The international Journal of Biochemistry & Cell Biology. 2005;37: 1974-1984.

 

  1. Hay N, Sonenberg N. Upstream and downstream of mTOR. Genes Dev. 2004;18:1926-1945.

 

  1. Hoppeler H, Kleinert E, Schlegel C, Claassen H, Howald H, Kayar SR, Cerretelli P. Morphological adaptations of human skeletal muscle to chronic hypoxia. Int J Sports Med. 1990;11:S3–S9.

 

  1. Horak P, Crawford AR, Vadysirisack DD, Nash ZM, DeYoung MP, Sgroi D, Ellisena LW. Negative feedback control of HIF-1 through REDD1-regulated ROS suppresses tumorigenesis. Med Science. 2010;107(10): 4675–4680.

 

  1. Ichimura Y, Komatsu M. Selective degradation of p62 by autophagy. Semin Immunopathol. 2010;32:431–436.

 

  1. Jaakkola PM, Pursiheimo JP. p62 degradation by autophagy: another way for cancer cells to survive under hypoxia. Autophagy. 2009;5(3):410-2.

 

  1. Jagoe RT, Engelen MPKJ. Muscle wasting and changes in muscle protein metabolism in chronic obstructive pulmonary disease. Eur Respir J. 2003;22:52s–63s.

 

  1. Lahm T, Petrache I. LC3 as a potential therapeutic target in hypoxia-induced pulmonary hypertension. Autophagy. 2012;8(7):1146-7.

 

  1. Latres E, Amini AR, Amini AA, Griffiths J, Martin FJ, Wei Y, Lin HC, Yancopoulos GD, Glass DJ. IGF-1 inversely regulates atrophy-induced genes via the PI3K/Akt/mTOR pathway. J Biol Chem. 2005;280: 2737-2744.

 

  1. Liu L, Cash T P, Jones RG, Keith B, Thompson CB, Simon MC. Hypoxia-Induced Energy Stress Regulates mRNA Translation and Cell Growth. Molecular Cell. 2006;21: 521-531.

 

  1. Lundby C, Calbet JAL, Robach P The response of human skeletal muscle tissue to hypoxia. Cell Mol Life Sci. 2009;66: 3615-3623.

 

  1. Mammucari C, Milan G, Romanello V, Masiero E, Rudolf R, Piccolo PD, Burden SJ, Lisi RD, Sandri C, Zhao J, Goldberg A L, Schiaffino S, Sandri M. FoxO3 controls autophagy in skeletal muscle in vivo. Cell Metab. 2007;6: 458-471.

 

  1. Martin DS, Levett DZ, Mythen M, Grocott MP. Changes in skeletal muscle oxygenation during exercise measured by near-infrared spectroscopy on ascent to altitude. Crit Care. 2009;13(Suppl)5: S7.

 

  1. Mizuno M, Savard GK, Areskog N, Lundby C and Saltin B. Skeletal Muscle Adaptations to Prolonged Exposure to Extreme Altitude: A Role of Physical Activity? High Alt. Med. & Biol. 2008;9(4):311-317.

 

  1. Mizushima N, Yoshimori T. How to interpret LC3 immunoblotting. Autophagy. 2007;3(6):542-5.

 

  1. Plant PJ, Brooks D, Faughnan M, Bayley T, Bain J, Singer L, Correa J, Pearce D, Binnie M, Batt J. Cellular markers of muscle atrophy in chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Cell Mol Biol. 2010;42:461–471.

 

  1. Rouschop KMA, Beucken TVD, Dubois L, Niessen H, Bussink J, Savelkouls K, Keulers T, Mujcic H, Landuyt W, Voncken JW, Lambin P, van der Kogel AJ, Koritzinsky M, Wouters BG. The unfolded protein response protects human tumor cells during hypoxia through regulation of the autophagy genes MAP1LC3B and ATG5. Cancer. 2010;120:127–141.

 

  1. Sandri M. Autophagy in skeletal muscle. FEBS Letters 2010, 584:1411-1416.

 

  1. Teixeira VdON, Filippin LI, Xavier RM. Mechanisms of muscle wasting in sarcopenia. Rev Bras Reumatol. 2012;52(2):147-159.

 

  1. Tipton KD, Wolfe RR. Exercise, protein metabolism and muscle growth.  International Journal of Sport Nutrition and Exercise Metabolism. 2001;11:109-132.

 

  1. Weigl LG. Lost in translation: regulation of skeletal muscle protein synthesis. Current opinion in pharmacology. 2012;12: 377-382.
Universiteit of Hogeschool
Master in de Lichamelijke Opvoeding en Bewegingswetenschappen
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: