Effects of intrinsic aerobic capacity, exercise, and aging on ribosomal and mitochondrial DNA copy numbers in rat skeletal muscle and liver

Abstract

Geenikopioiden määrän vaihtelu on yksi geneettisen eroavuuden muodoista, joskin se on paljon vähemmän tutkittu yhden nukleotidin muutoksiin verrattuna. Viime vuosina geenikopiomäärien vaihtelu on yhdistetty useisiin monitekijäisiin sairauksiin sekä muun muassa metabolian säätelyyn, ja sen on ehdotettu olevan geneettinen mekanismi eri ympäristöihin sekä stressitekijöihin sopeutumisessa. Geenikopioiden määrän vaihtelun mahdollisesta yhteydestä aerobiseen suorituskykyyn on kuitenkin hyvin vähän tutkimuksia. Käytin korkean (HCR)- ja matalan (LCR) synnynnäisen suorituskyvyn omaavia rottalinjoja selvittääkseni, miten synnynnäinen aerobinen suorituskyky, vanheneminen ja juokseminen vaikuttavat ribosomaalisen DNA:n (rDNA) ja mitokondriaalisen DNA:n (mtDNA) kopiomääriin. Lisäksi selvitin, korreloiko mtDNA:n kopiomäärä mitokondriaalisten markkereiden kanssa. rDNA:n 18S ja mtDNA:n 12S alayksiköiden kopiomäärät määritettiin kvantitatiivisella PCR:llä yhteensä 60:stä lihas- ja maksakudosnäytteestä. rDNA:n kopiomäärä oli korkeampi HCR rotilla molemmissa kudoksissa. Lihaksessa rDNA:n kopiomäärä oli nuorilla HCR rotilla selkeästi korkeampi kuin nuorilla LCR-rotilla; vanhoilla rotilla merkitsevää eroa rDNA:n kopiomäärissä HCR ja LCR rottien välillä ei havaittu. Juokseminen taas lisäsi rDNA:n kopiomäärän hajontaa, mutta ei tilastollisesti merkitsevästi. mtDNA:ssa ei havaittu merkitseviä muutoksia kopiomäärässä HCR ja LCR rottien välillä; juokseminen kuitenkin johti suurempaan mtDNA:n kopiomäärän hajontaan LCR-rotilla. Lisäksi mtDNA korreloi merkitsevästi mitokondriaalisista markkereista vain PGC1-α:n kanssa. Tulevaisuudessa tutkimus tulisi toistaa suuremmalla näytemäärällä sekä käyttämällä useampia kudoksia ja eliöryhmiä. qPCR:llä saatuja tuloksia voisi myös verrata ddPCR:llä, DNA hybridisaatiolla (non-radioactive quantitative hybridization (NQG)), tai uuden sukupolven sekvensoinnilla saataviin tuloksiin. Tutkimukseni mukaan rDNA:n kopiomäärä saattaa periytyä yhdessä synnynnäisen aerobisen suorituskyvyn kanssa. Stressitekijät taas saattavat lisätä rDNA:n variaation määrää, mutta tulokset voivat kuitenkin olla riippuvia kudostyypistä.

Gene copy number variation (CNV) has been proposed to provide a genetic mechanism for organisms to adapt to different environments and stressors. CNV is associated with diverse types of phenotypic variation, including expression of diverse complex diseases and regulation of metabolism; however, the possible role of CNVs in an individual’s intrinsic aerobic capacity is unknown. To study the CNV of ribosomal DNA (rDNA) and mitochondrial DNA (mtDNA) in relation to intrinsic aerobic capacity, I utilized rat lines that had been artificially selected for high-capacity running (HCR) and low-capacity running (LCR). Additionally, the effects of aging and exercise on the rDNA and mtDNA copy number (CN) were quantified. The CN of 18S rDNA and 12S mtDNA loci were determined from both liver and skeletal muscle (gastrocnemius) tissues of 60 HCR and LCR rats using quantitative PCR (qPCR). HCR rats had significantly more copies of rDNA (in both tissues) than LCR rats. In skeletal muscle, young HCR rats had significantly more copies of rDNA when compared to the young LCR rats, but no difference was observed between the aged rats. Exercise, on the other hand, seemed to result in a higher variance of rDNA CN in muscle; however, the results were not significant. I found mtDNA CN to be more variable than rDNA CN, wherein LCR rats, running resulted in increased variance in muscle. mtDNA CN positively correlated with proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC1-α) but not with any of the other measured mitochondrial markers. In the future, the generality of these qPCR results should be examined in additional tissues, with more samples, and in other taxa. Additionally, it would be informative to compare the qPCR protocol with other methods of measuring locus copy number, such as droplet digital PCR (ddPCR), non-radioactive quantitative hybridization (NQH), or next-generation sequencing. This study indicates that rDNA CN can respond to long-term artificial selection, with a higher copy number being associated with higher intrinsic aerobic capacity. Additionally, environmental stressors might change the variance of rDNA CN, but the effects may be tissue specific.