Effects of exercise mimicking mechanical stimulation on gene expression in human myotubes and endothelial cells

Abstract

Liikunnan tiedetään edistävän ihmisten terveyttä, mutta kaikkia liikunnan terveyshyötyjen solu- ja molekyylibiologisia vaikutusmekanismeja ei vielä täysin tunneta. Eläviin organismeihin kohdistuu kaiken aikaa mekaanisia voimia, jotka vaikuttavat niiden biologisiin toimintoihin johtuen mekanotransduktiosta. Näitä mekaanisia ärsykkeitä esiintyy erityisesti fyysisen aktiivisuuden aikana. Biologisten prosessien tutkiminen kokonaisissa organismeissa on erityisen haastavaa, minkä takia in vitro -mallien käyttäminen mekanotransduktion tutkimisessa on tärkeää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella mekaanisen stimulaation solumallin vaikutuksia ihmisen myotuubien ja endoteelisolujen geeniekspressioon.

Geeniekspressioanalyysi suoritettiin RNA-sekvensointidatan pohjalta, joka saatiin ihmisen istukan laskimosuonisoluista (HUVEC), sydämen mikroendoteelisoluista (HCMEC) ja luurankolihassoluista kerätystä RNA:sta sekä kontrolli- että venytysolosuhteissa (5t, 1Hz, 12% venytys).

Solujen mekaanisen stimulaation seurauksena merkittävästi eriävästi (log2 muutos ≥ 0.5, korjattu p-arvo ≤ 0.05) ekspressoituneita geenejä löydettiin 615 HUVEC-soluista, 219 HCMEC-soluista ja 221 luurankolihas-myotuubeista. Molemmissa endoteelisolutyypeissä nähtiin inhibitiota geeneissä ja signalointireiteissä liittyen solukasvuun, mitokondrioiden ja ribosomien translaatioon sekä soluhengitykseen, kun puolestaan geenit liittyen oksidatiivisen stressin säätelyyn, solusyklin säätelyyn sekä histoneiden deasetylaatioon (HDAC) olivat yliekspressoituneita. Samankaltaisten geeniryhmien ekspressiosta huolimatta, ainoastaan 11 samaa yksittäistä yliekspressoitunutta geeniä löydettiin endoteelisolutyyppien välillä. Mekaanisesti stimuloiduissa myotuubeissa nähtiin yliekspressiota geeneissä liittyen ribosomien translaatioon, soluhengitykseen, aminohappojen metaboliaan, DNA:n korjaukseen, solutukirankaan ja solukasvuun.

Etenkin myotuubien geeniekspressiotulosten kohdalla, tässä tutkimuksessa käytetty mekaanisen stimulaation solumalli sai aikaan vastaavia aikaisemmin nähtyjä liikuntaharjoittelun vaikutuksia geeniekspressioon ihmis- ja eläintutkimuksissa, sekä muissa liikunnan solumalleissa kuten sähköstimulaatiossa. Mekaanisesti stimuloidut HUVEC ja HCMEC solut erosivat toisistaan yksittäisten geenien ekspressoitumisessa, mutta olivat yhteneväisiä samoihin signalointireitteihin liittyvien geeniryhmien yli- ja aliekspressoinnissa. Yllättävästi, ainoastaan muutamia solutukirankaan ja soluväliaineeseen liittyviä geenejä nähtiin yliekspressoituneen mekaanisen stimulaation vaikutuksesta kaikissa kolmessa solutyypissä. Tämän tutkimuksen tulokset antavat viitteitä siitä, että tutkimuksessa käytetty liikuntamalli voisi olla lupaava tapa tutkia liikunnan terveyshyötyjen vaikutusmekanismeja tulevaisuudessa, mutta malli tarvitsee vielä kehitystä, jotta se voisi paremmin vastata solujen todenmukaista fysiologista ympäristöä.

Exercise is a widely accepted health promoting practice, but the underlying cellular and molecular mechanisms of the health benefits of exercise are still poorly understood. Living organisms are constantly exposed to mechanical forces, which affect their biological processes through mechanotransduction, and these stimuli are especially present during physical activity. Because of the complexity of in vivo biological systems, appropriate in vitro applications are important for the study of mechanotransduction. The aim of this study was to investigate the effects of in vitro mechanical stimulation of the gene expression of cultured human myotubes and endothelial cells.

Differential gene expression analysis was performed on the RNA-SEQ data from collected total RNA of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), human cardiac microvascular endothelial cells (HCMEC) and human skeletal muscle cells (HSkM) in both control and cyclic mechanical stimulation (5h, 1Hz, 12% elongation) conditions.

In vitro mechanical stimulation resulted in a total of 615 differentially expressed genes (DEGs) in HUVECs, 219 DEGs in HCMEC and 221 DEGs in HSkM myotubes (log2 FC ≥ 0.5, adj. p-value ≤ 0.05). Both endothelial cell lines showed inhibitory responses to mechanical stress in the genes and signaling pathways related to cell proliferation mitochondrial translation, oxidative phosphorylation and ribosomal translation, while simultaneously genes and pathways related to oxidative stress protection, cell cycle regulation and histone deacetylases (HDAC) were found to be upregulated. Despite the similar responses in gene set expression, only 11 individual upregulated genes were found to overlap in both endothelial cell lines. Mechanically stimulated myotubes showed upregulation in genes and pathways related to ribosomal translation, oxidative phosphorylation, amino acid metabolism, DNA-repair, cytoskeletal integrity, as well as cell growth.

Especially in the case of HSkM myotubes, the model used in this study showed some correspondence to previously seen gene expression responses to exercise training in humans, animal models, and other exercise-mimicking in vitro models, such as electrical pulse stimulation. Mechanically stimulated HUVEC and HCMEC cells showed differences in individual upregulated genes but were similar in respect to the up- and downregulation of gene sets and signaling pathways. Unexpectedly, few cytoskeleton and extracellular matrix (ECM) related genes were found to be upregulated in all three cell types. The results of this study suggest that the mechanical stimulation model used could be a promising way to mimic exercise in vitro for future investigations concerning the molecular mechanisms of the benefits of exercise. However, improvements to the model are necessary to better simulate a more representative physiological environment.