Molecular and physiological effects of muscle wasting and its treatment by blocking myostatin and activins

Abstract

Muscle wasting, occurring e.g. in cancer, is associated with poor prognosis, and cancer treatments may even exacerbate the wasting. The prevention of muscle wasting has improved survival in preclinical cancer models, but the mechanisms are poorly understood. The purpose of this dissertation was to study the molecular and physiological effects of different wasting conditions and their treatment by myostatin/activin blocking. The effects of myostatin/activin blocking were studied in (1) doxorubicin (DOX) chemotherapy-treated mice, (2) tumour-bearing (TB) mice, and (3) fasted and inactive mice. Myostatin/activin blocking prevented muscle wasting in DOX-treated and TB mice. In TB mice, this was associated with improved survival, but not when myostatin/activin blocking was used to increase muscle mass only before cancer. Myostatin/activin blocking also restored bone density in DOX-treated mice, but did not counteract the impaired running capacity and the decreased physical activity in DOX-treated and TB mice, respectively. Muscle protein synthesis was decreased by DOX and restored by myostatin/activin blocking in skeletal muscle, but not in the heart. The transcriptomic responses to DOX and myostatin/activin blocking were also larger in skeletal muscle than in the heart. Muscle protein synthesis was also decreased in TB mice. This was associated with reduced mTORC1 signalling and decreased colocalization of mTOR with lysosomes, which were restored by myostatin/activin blocking. Myostatin/activin blocking also induced muscle protein synthesis in healthy mice independent of alterations in physical activity and food intake and increased the amount of mTOR colocalised with lysosomes. This study shows that prevention of muscle wasting by myostatin/activin blocking improves survival in experimental cancer and has other beneficial effects beyond skeletal muscle in chemotherapy and cancer. In addition, maintaining muscle mass may be more beneficial in terms of survival than having a larger muscle mass before the cachectic stimulus. Finally, muscle protein synthesis and mTORC1 signalling induced by myostatin/activin blocking may be mediated via increased mTOR-lysosome colocalisation in healthy and cachectic muscles. This dissertation contributes to the cachexia research with novel results that may advance the development of strategies to prevent or treat cachexia.

Moniin sairauksiin, kuten syöpään, liittyvä lihaskato on yhteydessä huonoon ennusteeseen, ja syöpähoidot voivat jopa kiihdyttää lihaskatoa. Lihaskadon esto on pidentänyt selviytymistä kokeellisissa syöpämalleissa, mutta sen mekanismeja ei vielä tunneta. Tämän väitöskirjan tarkoitus oli tutkia lihaskadon ja sen hoidon fysiologisia ja molekyylitason vaikutuksia. Lihaskatoa ehkäisevän myostatiinin/aktiviinien eston vaikutuksia tutkittiin (1) kemoterapiaa saavilla hiirillä, (2) kokeellisella syöpämallilla hiirillä ja (3) passiivisilla ja aktiivisilla sekä paastonneilla ja ei-paastonneilla hiirillä. Myostatiinin/aktiviinien esto ehkäisi sekä kemoterapian että kokeellisen syövän aiheuttaman lihaskadon. Tämä oli yhteydessä parempaan selviytymiseen syövässä, mutta vain silloin, kun lihaskadon hoitoa jatkettiin myös kasvaimen muodostumisen jälkeen. Myostatiinin/aktiviinien esto ehkäisi myös kemoterapian aiheuttaman luuntiheyden laskun, mutta ei vaikuttanut kemoterapian aiheuttamaan juoksukapasiteetin heikkenemiseen eikä fyysisen aktiivisuuden laskuun syövässä. Kemoterapia laski luurankolihaksen proteiinisynteesiä, ja myostatiinin/aktiviinien esto ehkäisi tämän laskun. Kemoterapian ja myostatiinin/aktiviinien eston vaikutukset proteiinisynteesiin ja geenien ilmentymiseen olivat selvästi suurempia luurankolihaksessa kuin sydämessä. Luurankolihaksen proteiinisynteesi laski myös syövässä, mikä oli yhteydessä mTORC1-signaloinnin laskuun sekä vähentyneeseen mTOR:n ilmenemiseen lysosomien lähellä. Myostatiinin/aktiviinien esto ehkäisi syövän aiheuttamia muutoksia mTOR:n solunsisäisessä sijainnissa ja signaloinnissa. Myostatiinin/aktiviinien esto lisäsi luurankolihaksen proteiinisynteesiä terveillä hiirillä riippumatta fyysisen aktiivisuuden tai syömisen määrästä ja lisäsi mTOR:n ilmenemistä lysosomien lähellä. Tulokset osoittavat, että lihaskadon ehkäisy myostatiinia ja aktiviineja estämällä voi pidentää selviytymistä kokeellisessa syövässä ja sillä on edullisia vaikutuksia myös muihin kudoksiin kemoterapiaa saavilla ja syöpää sairastavilla hiirillä. Lihaskoon ylläpito saattaa olla selviytymisen kannalta hyödyllisempää kuin lihasten kasvatus ennen syöpää. Myostatiinin ja aktiviinien eston aikaansaama proteiinisynteesin ja mTORC1-signaloinnin nousu saattavat osittain selittyä mTOR:n solunsisäisellä sijainnilla. Tulokset lisäävät ymmärrystä luurankolihaskudoksen tärkeydestä, lihaskadon mekanismeista ja mahdollisista uusista lihaskadon hoitomuodoista.