Universität zu Köln

Sen, Ayesha ORCID: 0000-0002-8744-4995 (2025). Maintenance of mitochondrial DNA integrity in Muscle Satellite Cells. PhD thesis, Universität zu Köln.

All available versions of this item

• Maintenance of mitochondrial DNA integrity in Muscle Satellite Cells. (deposited 17 Jun 2025 12:36) [Currently Displayed]

PDF PhD Thesis__Ayesha Sen_For Publication_KUPS.pdf - Published Version Download (6MB)

Abstract

Mutations in the mitochondrial DNA (mtDNA) have been linked to skeletal muscle atrophy and sarcopenia. Muscle satellite cells (MuSCs), responsible for regenerating new muscle fibres, are generally quiescent but become activated during muscle biogenesis in the course of development and growth, exercise, or damage. The regenerative capacity of MuSCs declines with age, and this is thought to be a contributing factor to sarcopenia. With the ever-increasing age of the global population, it is essential to understand the consequences of disturbed mtDNA integrity in MuSCs in the context of sarcopenia. To explore how mtDNA mutations affect the regeneration capacity of MuSCs, we employed a mouse model expressing a dominant negative mutation of TWINKLE (K320E-Twinkle), the mtDNA helicase, under the control of tamoxifen, specifically in the MuSCs or in skeletal muscle, respectively. This mutation is known to accelerate the accumulation of mtDNA alterations. Acute activation of muscle regeneration in adult mice by cardiotoxin induced degeneration of M. tibialis anterior (TA) induced the dramatic accumulation of fibres with mitochondrial dysfunction and enhanced inflammation. Our studies using the mitoTIMER reporter, along with induction of K320E-Twinkle in MuSCs in vitro, pointed to an initial increase in mitochondrial biogenesis and turnover. In contrast, when K320E-Twinkle is activated upon muscle biogenesis during normal development, we do not observe mitochondrial dysfunction. However, histological analyses showed a reduced cross-sectional area and a prominent fibre type shift, from glycolytic to oxidative in the TA. Interestingly, this was observed only in the glycolytic TA muscle and not in the predominantly oxidative M. soleus. Additionally, in vitro analysis of MuSC differentiation showed that K320E-Twinkle impairs muscle fibre differentiation by reducing mitochondrial biogenesis. Accordingly, K320E-Twinkle-C2C12 cells also showed disturbed differentiation, along with reduced myogenic fusion, respiratory chain defects, and progressive mtDNA depletion. Proximity proteomics revealed a decrease of mitochondrial proteins in the proteome of the mutant cells. In conclusion, our results demonstrate that interfering with mtDNA replication in MuSCs impairs muscle differentiation and alters muscle architecture. Our data reveals a link between mtDNA integrity and the altered metabolic shift from glycolytic to oxidative, similar to that observed in aged sarcopenic muscle of long-lived organisms.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mutationen in der mitochondrialen DNA (mtDNA) wurden mit Skelettmuskelschwund und Sarkopenie in Verbindung gebracht. Muskelsatellitenzellen (MuSC), die für die Regeneration neuer Muskelfasern zuständig sind, befinden sich in der Regel im Ruhezustand, werden aber während der Muskelbiogenese im Zuge von Entwicklung und Wachstum, körperlicher Betätigung oder Schädigung aktiviert. Die Regenerationsfähigkeit der MuSCs nimmt mit zunehmendem Alter ab, und es wird angenommen, dass dies ein Faktor ist, der zur Sarkopenie beiträgt. Angesichts des ständig steigenden Alters der Weltbevölkerung ist es von entscheidender Bedeutung, die Folgen einer gestörten mtDNA-Integrität in MuSCs im Zusammenhang mit Sarkopenie zu verstehen. Um zu erforschen, wie sich mtDNA-Mutationen auf die Regenerationsfähigkeit von MuSCs auswirken, haben wir ein Mausmodell verwendet, das eine dominant-negative Mutation von TWINKLE (K320E-Twinkle), der mtDNA-Helikase, unter der Kontrolle von Tamoxifen spezifisch in den MuSCs bzw. im Skelettmuskel exprimiert. Diese Mutation ist dafür bekannt, dass sie die Akkumulation von mtDNA-Veränderungen beschleunigt. Die akute Aktivierung der Muskelregeneration bei erwachsenen Mäusen durch Kardiotoxin-induzierte Degeneration des M. tibialis anterior (TA) führte zu einer dramatischen Anhäufung von Fasern mit mitochondrialer Dysfunktion und verstärkter Entzündung. Unsere Studien unter Verwendung des mitoTIMER-Reporters und der Induktion von K320E-Twinkle in MuSCs in vitro wiesen auf einen anfänglichen Anstieg der mitochondrialen Biogenese und des Umsatzes hin. Wenn K320E-Twinkle bei der Muskelbiogenese während der normalen Entwicklung aktiviert wird, können wir dagegen keine mitochondriale Dysfunktion beobachten. Histologische Analysen zeigten jedoch eine verringerte Querschnittsfläche und eine deutliche Verschiebung des Fasertyps von glykolytisch zu oxidativ im TA. Interessanterweise wurde dies nur im glykolytischen TA-Muskel und nicht im überwiegend oxidativen M. soleus beobachtet. Darüber hinaus zeigte die in vitro-Analyse der MuSC-Differenzierung, dass K320E-Twinkle die Muskelfaserdifferenzierung durch eine Verringerung der mitochondrialen Biogenese beeinträchtigt. Dementsprechend wiesen K320E-Twinkle-C2C12-Zellen ebenfalls eine gestörte Differenzierung auf, zusammen mit einer reduzierten myogenen Fusion, Defekten der Atmungskette und einer fortschreitenden mtDNA-Depletion. Proximity Proteomics zeigte eine Abnahme der mitochondrialen Proteine im Proteom der mutierten Zellen. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass eine Störung der mtDNA-Replikation in MuSCs die Muskeldifferenzierung beeinträchtigt und die Muskelarchitektur verändert. Unsere Daten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Integrität der mtDNA und der veränderten Stoffwechselverschiebung von glykolytisch zu oxidativ, ähnlich der, die im gealterten sarkopenischen Muskel langlebiger Organismen beobachtet wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sen, Ayesha asen2@smail.uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-8744-4995 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-780790
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Medicine > Physiologie und Pathophysiologie > Institut für Vegetative Physiologie
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language muscle satellite cells English mitochondria English ageing English sarcopenia English mtDNA English
Date of oral exam:	8 July 2024
Referee:	Name Academic Title Schwarz, Günter Prof. Dr. Brachvogel, Bent Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78079