Role of angiogenesis in skeletal muscle transcriptomic responses to endurance training

Abstract

Liikunta aiheuttaa muutoksia luurankolihaksen supistuvissa, rakenteellisissa ja aineenvaihdunnallisissa ominaisuuksissa, mikä saa aikaan useita terveyshyötyjä. Nämä muutokset tapahtuvat useiden tilapäisten säätelymekanismien, kuten transkriptionaalisten reittien, aktivoitumisen seurauksena. Näitä transkriptionaalisia mekanismeja ja niitä sääteleviä tekijöitä ei kuitenkaan vielä täysin tunneta. Verisuonten kasvu on todennäköisesti yksi tärkeä tällainen säätelevä tekijä lihaksessa. Se on merkittävä kestävyysharjoitteluadaptaatio, joka parantaa aerobista kapasiteettia ja edistää sydän- ja verisuoniterveyttä. Tämän tutkielman tarkoituksena oli tutkia verisuonten kasvun merkitystä luurankolihaksen transkriptomivasteissa kestävyysharjoitteluun. Villityypin hiiret (WT) ja hiiret, joilta poistettiin verisuonen endoteelin kasvutekijän reseptori VEGFR2 (R2Del) jaettiin harjoittelevaan ja kontrolliryhmään. Kestävyysharjoittelu koostui progressiivisesta 60 minuutin juoksuharjoittelusta juoksumatolla 5 kertaa viikossa 4 viikon ajan. Tibialis anterior -lihakset kerättiin viikko harjoittelun jälkeen, ja koko transkriptomin laajuinen geeniekspressioanalyysi tehtiin RNA-sekvensoinnilla. Muutoksia geenien ilmenemisessä ja geenien säätelemissä signalointireiteissä analysoitiin RStudio -ohjelmistolla. Lihasten kapillarisaatio lisääntyi merkittävästi harjoittelun jälkeen vain WT-hiirillä (p < 0,001). Lihassolukoko kasvoi merkittävästi harjoittelun jälkeen molemmilla hiirityypeillä. Eniten muutoksia yksittäisten geenien ilmenemisessä tapahtui WT-hiirillä, mutta R2Del-hiirillä oli eniten muuttuneita geenien signalointireittejä harjoittelun jälkeen. Useat signalointireitit aktivoituivat eri tavoin harjoittelun jälkeen WT- ja R2Del-hiirillä. Esimerkiksi rasvahappojen aineenvaihdunta väheni WT-hiirillä mutta lisääntyi R2Del-hiirillä harjoittelun jälkeen. Harjoittelu aiheutti pitkittyneitä häiriöitä aerobisessa aineenvaihdunnassa R2Del-hiirillä verrattuna WT-hiiriin, mikä viittaa siihen, että verisuonten kasvun estäminen vaikutti lihaksen transkriptomin harjoitteluvasteeseen. Tätä R2Del-hiirien erilaista harjoitusvastetta tarvitaan mahdollisesti koko harjoitusjakson ajan kompensoimaan hapenkuljetuksen puutetta, jonka verisuonten kasvun estäminen aiheuttaa. Tämä tutkimus on tärkeä askel kohti sekä kokonaisvaltaista ymmärrystä mekanismeista, jotka säätelevät adaptoitumista kestävyysharjoitteluun että parempaa harjoitusprotokollien suunnittelua, jossa yksilölliset ominaisuudet otetaan huomioon.

Exercise facilitates changes in skeletal muscle contractile, structural, and metabolic properties which results to multiple health benefits. These changes occur as signalling, epigenetic and transcriptional pathways are activated transiently in response to exercise. These transcriptional mechanisms and the factors that regulate them are however not fully understood. Angiogenesis is likely an important factor facilitating the skeletal muscle responses since it is highly activated in response to exercise. It is also a significant endurance training adaptation improving aerobic capacity and cardiovascular health. The aim of this thesis was to examine the role of angiogenesis in skeletal muscle transcriptomic responses to endurance training. Wild-type (WT) and vascular endothelial growth factor receptor 2 deleted (R2Del) mice were divided into sedentary and exercise groups. Endurance training included 60 min of treadmill running 5 x week for 4 weeks. Tibialis anterior muscles were collected 1 week after training and transcriptome-wide gene expression analysis was conducted with RNA sequencing. Differential gene expression analysis and gene set enrichment analysis were done using data science software RStudio. Skeletal muscle capillarization increased significantly after training in WT mice (p < 0.001) but not in the R2Del mice. Muscle fibre size was significantly increased after training in both types of mice. The number of differentially expressed individual genes was the highest in the WT mice, but the greatest number of differentially regulated pathways was in the R2Del mice after training. Multiple pathways were differently activated after training in WT and R2Del mice. For instance, fatty acid metabolism was downregulated in WT mice but upregulated in R2Del mice after training. Aerobic exercise training caused prolonged perturbations in aerobic metabolism pathways in the R2Del mice compared to the WT mice, which suggests that inhibition of angiogenesis had a profound effect on transcriptomic exercise response in skeletal muscle. This differential transcriptomic training response in R2Del mice is possibly needed throughout the training period to compensate the lack of increased capillarization and capacity to deliver oxygen. This study is an important step towards both comprehensive understanding of the mechanisms that regulate adaptations to endurance training and better designing of training protocols for individuals with distinct physiological conditions.