Adaptations of structural proteins in skeletal muscle : effect of diabetes and exercise

Abstract

Unaccustomed physical exercise may induce damage to certain myofibres. Adaptation enables skeletal muscle to maintain its viability in changing conditions. Among skeletal muscle adaptations are increased aerobic capacity (endurance training) and decreased myofibre size and number (atrophy) within immobilisation or some diseases such as diabetes. The structures that stabilise myofibres during muscle contractions are located inside sarcomeres (e.g. titin), between sarcomeres (e.g. desmin), adjacent to the sarcolemma (e.g. dystrophin), and in the extracellular matrix (ECM). This study was conducted to find out what changes are induced by experimental diabetes (resembling type 1) and exercise in the localisation and mRNA expression of the intra sarcomeric stretch-sensing proteins and intracellular as well as extracellular proteins that stabilise the contractile system. The types of physical loading used in this study were repeated downhill running, electrostimulated intermittent concentric contractions (ICC), and endurance running training. Whereas a single bout of downhill running or ICC induced typical histopathological signs of myofibre damage while no such changes were observed after repeated bouts, thus showing the protective effect of prior training. The changes in mRNA levels of desmin and dystophin after acute exercise are obviously the result of the repair process, while changes after repeated bouts may reflect continuing adaptation to the increased exercise. Titin mRNA level increased only after the repeated exercise. In addition, ICC activated the mRNA expression of muscle LIM protein (MLP) and cardiac ankyrin repeat protein (CARP) that may affect myofibre remodelling or hypertrophy. Experimental diabetes up-regulated the transcription of intra-sarcomeric stretch-sensing proteins, such as MLP and CARP, and down-regulated the mRNA expression of several collagens (e.g. types I, III, IV). The mRNA level of some noncollagenous glycoproteins and proteoglycans increased (e.g. laminin-2, fibulin-2) and some decreased (e.g. fibrillin-1, elastin). These changes in mRNA levels may influence e.g. the expression of components of the basement membrane, thus affecting its composition. Endurance training partly reduced diabetes-induced changes in the mRNA expression of ECM proteins and intra-sarcomeric stretch-sensing proteins.

Akuutti fyysinen rasitus saattaa vaurioittaa siihen tottumattomia lihassäikeitä. Raajalihaksella on kyky sopeutua (adaptoitua) muuttuvissa oloissa. Raajalihaksen adaptaatioihin kuuluvat aerobisen suorituskyvyn kasvun (kestävyysharjoittelu) ohella lihassolujen koon ja määrän pieneneminen (atrofia) immobilisaatiossa ja joissakin sairauksissa kuten diabeteksessa. Lihassolua stabiloivat rakenteet sijoittuvat sarkomeerin sisään (titiini), sarkomeerien väliin (desmiini), solukalvolle (dystrofiini) ja solun ulkopuolelle. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää fyysisen kuormituksen ja kokeellisen tyypin 1 diabeteksen aiheuttamia muutoksia raajalihassolun sisäisten ja ulkoisten supistuvaa koneistoa stabiloivien proteiinien sekä sarkomeerin sisäisten, venytystä havainnoivien proteiinien lokalisaatiossa ja synteesissä. Tutkimuksessa käytetyt fyysiset kuormitukset olivat toistettu alamäkijuoksu, pitkäkestoinen konsentrinen elektrostimulaatio ja kestävyysjuoksuharjoittelu. Tyypillinen viivästynyt lihasvaurio havaittiin histopatologisina muutoksina supistuvaa koneistoa stabiloivissa rakenteissa akuutin alamäkijuoksun ja konsentrisen elektrostimulaation jälkeen. Toistetun alamäkijuoksun jälkeen em. histologisia muutoksia ei havaittu, mikä osoittaa edeltävän kuormituksen suojaavan vaurioita. Akuutin kuormituksen jälkeen desmiinin ja dystrofiinin mRNA-tasojen nousut liittyivät todennäköisesti vaurion korjaukseen ja toistetun kuormituksen jälkeiset muutokset rakenteiden sopeutumiseen. Titiinin lähetti-RNA:n määrä oli koholla vain toistetun kuormituksen jälkeen. Konsentrinen elektrostimulaatio aktivoi lihaksen UM-proteiinin (MLP) ja CARP-proteiinin lähetti-RNA:iden ilmenemistä, mikä saattaa liittyä regeneraatio- tai hypertrofiasignaalin välitykseen. Kokeellinen diabetes lisäsi sarkomeerin venytystä havainnoivien proteiinien, kuten MLP:n ja CARP:n, ja vähensi useiden kollageenien (esim. tyypit I, III, IV) mRNA:n ilmenemistä. Joidenkin eikollageenisten glykoproteiinien ja proteoglykaanien mRNA-tasot nousivat (esim. laminiini-2, fibuliini-2) ja toisten laskivat (esim. fibrilliini-1 ja elastiini). Nämä muutokset mRNA-tasoissa saattavat vaikuttaa esim. tyvikalvon komponenttien ilmenemiseen ja siten muuttaa sen rakennetta. Kestävyysharjoittelulla kyettiin osittain vähentämään diabeteksen aiheuttamia muutoksia sidekudosproteiinien ja sarkomeerin venytystä havainnoivien proteiinien lähetti-RNA:n ilmenemisessä.