Universität zu Köln

Willkomm, Lena (2014). The Effects of Lactate on Skeletal Muscle. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Regular exercise and physical activity are cornerstones in the prevention and treatment of numerous chronic conditions, such as type 2 diabetes, coronary heart disease, and age-related sarcopenia. The associated health benefits arise from a number of tissues but due to its high plasticity skeletal muscle plays a pivotal role. The resident stem cells of skeletal muscle tissue, so called Satellite cells (SCs), contribute significantly to skeletal muscle adaptation and hence, maintenance of healthy tissue. The specific stimuli regulating SC development, i.e. activation, proliferation, an differentiation, depend on the form of exercise and consist of hormonal, mechanical, and metabolic signals. While hormonal and mechanical factors have been well documented, the importance of metabolic stimuli such as Lactate (La) remains less clear. La is produced continuously under aerobic conditions, but elevated levels occur during exercise when glycolysis is increased. La is able to induce muscle adaptation, but the underlying molecular mechanisms are not yet understood. Therefore, one aim of this study was to identify the phenotypical effects of high La levels as observed during resistance or high intensity endurance training on the proliferation and differentiation in a model of activated SCs, C2C12 cells. Furthermore, possible signalling targets for La, such as p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK), and subsequent histone modifications were investigated. Lastly, to confirm the observed mechanisms in vivo, a human intervention study was conducted. Treatment with La (10 mM, 20 mM) increased the serum deprivation-induced withdrawal from the cell cycle and initiated early differentiation in C2C12 cells as analysis of gene expression and protein patterns of cell cycle (Ki67, Trp53, and Cdkn1a) and differentiation markers (Pax7, Myf5, myogenin, and myosin heavy chain) revealed. However, La delays late differentiation in a dose-dependent manner. La-induced production of ROS, marked by high 8-epi-PGF2α levels, might at least be partly responsible as the effects induced by La were reversible by the addition of the antioxidants ascorbic acid, N-acetylcysteine, or linolenic acid. Observed downregulation of p38 MAPK activation and its downstream modifications histone 3 lysine 4 (H3K4) and histone 3 lysine 27 (H3K27) trimethylation suggests that La inhibits late differentiation progress by this mechanism which is crucial for muscle specific gene transcription. Experiments using the p38 specific inhibitor SB203580 add further evidence for this hypothesis. Additionally, it was demonstrated that diminished p38 MAPK activation and subsequent histone modifications are conserved in differentiated muscle tissue in vivo. Conclusively, the reported data confirm that La modifies skeletal muscle adaptation via a ROS-sensitive signalling network by delaying late differentiation of SCs, an important mechanism of skeletal muscle adaptation. This conclusion implies reassessment of traditional views on training design and periodisation in order to accelerate skeletal muscle adaptation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Regelmäßige körperliche Aktivität ist in der Prävention und Therapie vieler chronischer Krankheiten, wie zum Beispiel Typ 2 Diabetes, koronare Herzkrankheiten und altersbedingte Sarkopenie von großer Bedeutung. Die positive Wirkung von körperlicher Aktivität sind u. a. auf die Adaptation der Skelettmuskulatur zurückzuführen, welche eine hohe Plastizität, d.h. eine sehr hohe Anpassungsfähigkeit auf wiederkehrende Reize, besitzt. Die gewebsspezifischen Stammzellen der Skelettmuskulatur, sogenannte Satellitenzellen (SCs), tragen wesentlich zur Skelettmuskelanpassung und damit zur Gesunderhaltung des Gewebes bei. Die Satellitenzellentwicklung, d.h. die Aktivierung, Proliferation und Differenzierung von SCs, wird durch verschiedene Stimuli reguliert, welche von der Art des Trainings abhängen. Diese können hormonellen, mechanischen oder metabolischen Ursprungs sein. Während hormonelle und mechanische Effekte gut beschrieben sind, bleibt die Rolle der metabolischen Reize, wie zum Beispiel Laktat (La), unklar. La wird ständig produziert, vor allem aber bei körperlicher Aktivität und der damit verbundenen erhöhten Glycolyserate. Kürzlich wurde gezeigt, dass La die Genexpression beeinflussen und damit die Muskelanpassung fördern kann. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind aber unbekannt. Daher waren die Ziele dieser Arbeit zum einen, die Aufklärung der phänotypischen Effekte erhöhter Laktatkonzentrationen, wie sie bei Kraft- oder hochintensivem Ausdauertraining auftreten, auf die Proliferation und Differenzierung in einem Modell aktivierter SCs (C2C12-Zellen). Desweiteren sollten Signalmoleküle, die potentiell durch La modifiziert werden könnten, wie z.B. p38 mitogen-activated protein kinase (p38 MAPK) und darauf folgende Histonmodifikationen untersucht werden. Außerdem sollte eine humane Trainingsstudie zeigen, ob die aus der Zellkultur gewonnenen Erkenntnisse auch in vivo zutreffen. Genexpressions- und Proteinanalysen von Zellzyklus- (Ki67, Trp53, Cdkn1a) und Differenzierungsmarkern (Pax7, Myf5, Myogenin, Myosinschwerekette) an C2C12-Zellen, die mit physiologisch relevanten La-Konzentrationen (10, 20 mM) inkubiert wurden, zeigten, dass La den durch den Serumentzug verursachten Zellzyklusaustritt verstärkt und die frühe Differenzierung einleitet. Die späte Differenzierung wird jedoch durch La zeitlich und dosisabhängig verzögert. Die Produktion von ROS scheint bei der Vermittlung des La-Effekts eine wichtige Rolle zu spielen. Dieses beruht auf der erhöhten 8-epi-PGF2α-Bildung und der Umkehrbarkeit des Laktateffekts durch Zugabe der antioxidativen Substanzen Ascorbinsäure, N-Acetylcystein oder Linolensäure. Desweiteren konnte eine Reduktion der p38 MAPK-Aktivierung und der Trimethylierung des Histons 3 an den Lysinen 4 und 27 (H3K4me3 und H3K27me3) durch La festgestellt werden. Auch Versuche unter Einsatz des p38-spezifischen Inhibitors SB203580 bestätigen, dass die Differenzierungsverzögerung durch eine Hemmung von p38 MAPK und der damit zusammenhängenden, für die muskelspezifische Genexpression notwendige H3K4me3 und H3K27me3 zustande kommt. Zudem konnte die Konservierung dieses Mechanismus auch im humanen Modell in vivo gezeigt werden. Zusammenfassend hat La einen modifizierenden Effekt auf die Skelettmuskeladaptation. Dieser besteht in der Verzögerung der späten Differenzierung von SCs, welche ROS-vermittelt auftritt. Dieser Schluss impliziert ein Überdenken und Modifikation der bisherigen Trainingsperiodisierung, um die Skelettmuskelanpassung zu beschleunigen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Willkomm, Lena williwictim@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55806
Date:	May 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Zentrum für Molekulare Medizin
Subjects:	Life sciences Medical sciences Medicine Athletic and outdoor sports and games
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Satellite Cells English Oxidative Stress UNSPECIFIED Skeletal Muscle UNSPECIFIED
Date of oral exam:	25 March 2014
Referee:	Name Academic Title Wiesner, Rudolf Prof. Dr. Trifunovic, Aleksandra Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5580