Die Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten chronischen Erkrankungen mit progressivem Krankheitsverlauf. Dieser ist verschiedenen Kompensationsmechanismen geschuldet, die zunächst zur Verbesserung, über einen längeren Zeitraum hinweg jedoch zur Verschärfung der Symptomatik führen. Durch erhöhte Konzentrationen inflammatorischer Zytokine im Rahmen dieser Krankheit kommt es unter anderem zu pathologischen Veränderungen in Muskel- als auch Fettgewebe. Das kürzlich in der Literatur als PGC-1α reguliert beschriebene Molekül FNDC5 (Spaltprodukt Irisin) wird als Myokin bezeichnet, welches zwischen Muskel- und Fettgewebe vermittelt. Bis dato ist jedoch ungeklärt, ob und inwiefern es einen Zusammenhang zwischen einer Herzinsuffizienz, erhöhten Konzentrationen proinflammatorischer Zytokine und dem Molekül FNDC5 in der Skelettmuskulatur gibt. Um diesen Fragestellungen nachzugehen, wurde in der vorliegenden Arbeit zum einen durch LAD-Ligatur in Ratten eine Herzinsuffizienz induziert, um die systemischen Verhältnisse dieser Erkrankung im Tiermodell bestmöglich nachzuempfinden. Zum anderen wurden Mäuse mit TNF-α oder Ang II behandelt und C2C12-Myotuben mit TNF-α, Ang II sowie einer Zytokinkombination inkubiert, um den Einfluss der Zytokine bzw. des Hormons auf die FNDC5-Expression zu untersuchen. Anschließend wurden die Expression von FNDC5 auf mRNA- und Proteinebene sowie die Expression der PGC-1α-mRNA in Skelettmuskelbiopsien bestimmt. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Herzinsuffizienz sowie der Einfluss inflammatorischer Zytokine zur signifikanten Expressionsverminderung von FNDC5 führt. Ang II hingegen bewirkte nicht in allen Versuchen eine deutliche Reduktion der FNDC5-Expression. Außerdem wurde gezeigt, dass die Signaltransduktionswege über p38 und p42/44 MAPK nicht für die Wirkung der Zytokinkombination auf die FNDC5-Expression verantwortlich sind.

Cold exposure elicits a thermoregulatory response in an organism. If the cold stimulus is sufficient, there is increased heat generation by shivering thermogenesis. Under prolonged action of the cold stimulus, shivering thermogenesis is replaced by non-shivering thermogenesis. Non-shivering thermogenesis in the rat takes place predominantly in brown adipose tissue (BAT), where the uncoupling protein 1 (UCP1) is activated in mitochondria under the control of adrenergic signaling. The activity of UCP1 is crucial for heat production. The coactivator PGC-1α plays an important role in mitochondrial biogenesis and in the energy metabolism of BAT and heart, and its function is associated with cardioprotection. Recently, the cardioprotective effects of mild cold adaptation at 8±1 řC were discovered in our laboratory, which reduced the size of ischemia-reperfusion injury without negative side effects. However, the molecular nature of the events induced by adaptation to mild cold is unknown neither in BAT nor in the heart itself. Therefore, the aims of the thesis were 1) to characterize the development of BAT at the level of expression of selected proteins and mitochondrial markers during acute cold exposure and chronic cold adaptation with subsequent recovery and 2) to determine the role of PGC-1α and...

Yoshinori Hiraoka, Tatsuhiko Matsuoka, Mikiko Ohno, Kazuhiro Nakamura, Sayaka Saijo, Shigenobu Matsumura, Kiyoto Nishi, Jiro Sakamoto, Po-Min Chen, Kazuo Inoue, Tohru Fushiki, Toru Kita, Takeshi Kimura & Eiichiro Nishi "Critical roles of nardilysin in the maintenance of body temperature homoeostasis" Nature Communications 5, Article number: 3224 doi:10.1038/ncomms4224 / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第18454号 / 医博第3909号 / 新制||医||1004(附属図書館) / 31332 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 渡邉 大, 教授 福田 和彦, 教授 瀬原 淳子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

<p>Obesity is associated with an increase in low grade systemic inflammation. Skeletal muscle of individuals with obesity undergo numerous biochemical and morphological alterations including an increase in ectopic lipid accumulation in skeletal muscle and increased macrophage infiltration. Increased intermuscular adipose tissue and macrophages contribute to skeletal muscle inflammation and insulin resistance by secreting elevated proinflammatory cytokines and lipids. This also contributes to reduction in skeletal muscle quality, increasing the susceptibility of muscle to damage and impairing the regenerative response to muscle. Exercise training can reduce inflammation and improve skeletal muscle quality. Importantly reductions in inflammation occur without change in adiposity. Peroxisome proliferator activated receptor g coactivator 1-a (PGC-1a) exerts protective effects on skeletal muscle against damaging insults and may improve muscle regeneration.</p><p> The primary aim of my dissertation was to determine the mechanisms that lead to deficits in skeletal muscle integrity and regeneration in persons with obesity. In Chapter 1, an introduction to the various physiological, pathological, and clinical topics is provided. In Chapter 2, we investigated how exercise training and obesity independently alter skeletal muscle extracellular vesicle (EV) miRNA (miR) content. We found that obesity alters EV miR content indicative of altered anabolic signaling, while exercise training altered EV miR content in a manner indicative of reduced inflammation. In Chapter 3, we report that overexpression of PGC-1a reduces cardiotoxin induced damage of primary human myotubes but limits the ability of undifferentiated cells to reenter the cell cycle and produce progeny that could aid in the restoration of myotubes. In Chapter 4, we demonstrate that exposure to an obesogenic environment increases cardiotoxin induced damage of primary human myotubes from obese donors. In this study we also found that the restoration of myotube fusion index was reduced in lean and obese subjects when incubated with obesogenic media. In Chapter 5 is a review and summary of the outcomes described in Chapters 2-4, a discussion of the limitations of these experiments, and a discussion of future directions.</p>

AMP-activated protein kinase (AMPK), a heterotrimeric protein which serves as a metabolic master switch in skeletal muscle, is a research target for the pharmaceutical treatment and prevention of type 2 diabetes. The expression of all of the isoforms of the subunits of AMPK and AMPK activity are increased in skeletal muscle tissue of hyperthyroid rats. Activity of AMPK is regulated by an upstream kinase (AMPKK). The LKB1-STRAD-MO25 complex is a major AMPKK in skeletal muscle. This experiment was designed to determine whether the increase in AMPK activity is accompanied by a thyroid hormone-induced increase in the expression of the LKB1-STRAD-MO25 complex. LKB1-STRAD-MO25 complex protein expression was determined by Western blots in control rats, in rats given 3 mg of thyroxine and 1 mg of triiodothyronine per kilogram chow for 4 weeks, and in rats given 0.01% propylthiouracil (PTU) in drinking water for 4 weeks. The relative expression of LKB1, MO25, and STRAD, as well as PGC-1α, increased in the soleus of thyroid hormone treated rats vs. the controls. MO25 mRNA increased with thyroid hormone treatment, and STRAD mRNA increased with PTU treatment. Phospho-AMPK and phospho-ACC increased in response to electrical stimulation in muscles of all treatment groups, but was most markedly increased in hyperthyroid rats. Thyroid hormone treatment also increased the amount of phospho-CREB in the soleus, heart, and red quadriceps. These data provide evidence that thyroid hormone partially controls expression of the LKB1-STRAD-MO25 complex, as well the subsequent activation of AMPK.

帕金森氏症 (Parkinson’s disease，PD) 為目前最普遍的神經退化性疾病之一，該病因主要是由於中腦黑質區的多巴胺細胞的死亡造成運動系統的失能。環境常用農藥百草枯 (Paraquat，PQ) 目前已知是導致帕金森氏症的環境因子之一。它主要作用在粒線體上，阻斷粒線體的功能、造成大量氧化自由基生成、並誘導細胞凋亡的發生。沉默調節因子蛋白Sirtuin家族 (Sirtuin Family，Sirt1-Sirt7) 是一群 Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) 依賴性去乙醯化酶，具有抗老化、以及預防神經退化性疾病等能力。SRT1720是根據天然植物酚類白藜蘆醇製造出來的化學衍生物，具有活化Sirtuin的能力。先前研究也顯示SRT1720具有增加糖尿病小鼠的存活率、抗腫瘤、抗發炎等功能，但SRT1720對於神經退化性疾病的保護性並不清楚。為了解SRT1720是否具有對抗PQ的細胞毒性，用以評估SRT1720是否具有治療帕金森氏症的潛力，本研究使用人類神經瘤母細胞株 (SH-SY5Y) 作為帕金森氏症的離體外實驗模式，來探討SRT1720及PQ對於細胞的作用及影響。實驗結果顯示，PQ造成細胞存活率呈劑量反應地下降，而SRT1720可以回復因PQ所造成細胞存活率的下降、細胞凋亡的產生、粒線體的型態變化，以及降低氧化自由基的生成等。這證明SRT1720對細胞具有神經保護的效果。本研究也利用西方點墨法證實了當細胞暴露在PQ下，SRT1720會回復因PQ所導致Sirt1-Sirt7蛋白含量的下降。其中，大量表現Sirt1可以對抗PQ造成細胞的死亡。本研究也發現SRT1720可回復PQ自噬小體在細胞中的堆積情形，利用西方點墨法觀察SRT1720可以回復LC3-I/II的蛋白質再細胞間的堆積。此外，在對於20週大的C57BL/6小鼠注射PQ (10 mg/kg) 及SRT1720 (0.1mg/kg或1 mg/kg)，並利用滾輪及獨木橋試驗觀察其運動行為。結果顯示，SRT1720可以回復PQ所造成運動能力上的下降，並且減緩PQ所造成中腦區多巴胺神經元的傷害。綜觀以上結果，在細胞暴露在PQ時，SRT1720或許可以經由保護粒線體功能，使ROS生成量達到回復及降低細胞凋亡的發生。同時SRT1720也能保持自噬作用的平衡，降低自噬小體在細胞中的堆積。這些機轉也許與SRT1720可以保護多巴胺神經元有關。另一方面，由於Peroxisomal proliferator-activated receptor-coactivator 1α (PGC-1α) 與粒線體的生合成與神經保護有關，本實驗也發現SRT1720可改變PGC-1α去乙醯化的程度，但SRT1720對於Sirtuin蛋白以及Sirt1下游PGC-1α的活化與否還需做進一步的調查及研究。此研究顯示SRT1720對於保護細胞免於受到PQ所引發氧化壓力以及粒線體損傷之神經退化模型提供了一個具有潛力的治療方法。 / Parkinson’s disease (PD) is one of the most common neurodegenerative disorder and mainly affecting the motor system because of the dopamine neuronal death in the substantia nigra. The exposure to environmental neurotoxin paraquat (PQ) is a widely used herbicide. It induces the increase of ROS stress, leads to mitochondrial dysfunction, and results in apoptotic cell death. Epidemiologically, it could be the risk for PD incidence. Mammalian silent information regulator 2 Sirtuin Family (Sirt1-Sirt7) is a NAD+ dependent deacetylase enzyme and it protects against such as anti-aging and neurodegenerative disease. SRT1720 which derives from resveratrol is able to activate Sirt1. SRT1720 has been reported to improve survival in obese mice, anti-tumor, and anti-inflammatory, but the effect in the neurodegenerative disease it still unknown. We thus proposed if SRT1720 could have neuron- protective effect in PQ-induced toxicity. We used SH-SY5Y cell to evaluate the effect of SRT1720 and PQ. First, we confirmed that PQ could dose- and time-dependently decrease SH-SY5Y cell viability, increase ROS formation, and induce mitochondrial dysfunction. However, SRT1720 pretreatment improved cell viability, decreased apoptosis and ROS formation, and prevented mitochondrial dysfunction in PQ-treated SH-SY5Y cells. By Western blot analysis, SRT1720 pretreatment could preserve Sirt1-Sirt7 protein contents during PQ intoxication. In autophagy studies, we also found that SRT1720 could reduce PQ-induce autophagic vacuoles accumulation. Furthermore, we also found that intraperitoneally injection of 10 mg/kg PQ once a week in mice can decrease the level of motor activity after 6 weeks treatment. However, SRT1720 (0.1 mg/kg or 1mg/kg) treatment, reversed PQ- induced motor defect. Taken together, SRT1720 could protect mitochondrial function and improve cell survival during PQ intoxication. This work provided a promising therapeutic way for treating aging-related neurodegenerations, such as PD.

Sirt3, une des sept sirtuines chez les mammifères, est une déacétylase mitochondriale NAD+-dépendante qui joue un rôle dans le contrôle des facteurs clés de plusieurs voies métaboliques. Sirt3 déacétyle et active un grand nombre d'enzymes mitochondriales impliquées dans l'activité de la chaîne respiratoire, la production d'ATP, le cycle de Krebs, ainsi que le cycle de l'urée. Parallèlement à son rôle dans le métabolisme énergétique, l'activité mitochondriale intervient également dans l'induction de l'apoptose ainsi que dans la régulation de la prolifération et la différenciation cellulaires. En particulier les travaux du laboratoire ont montré qu'il existe une véritable régulation de la différenciation myogénique par l'activité mitochondriale. Comme Sirt3 régule l'activité mitochondriale, nous nous sommes intéressés à étudier l'implication de cette sirtuine dans la différenciation des myoblastes. Dans une première partie, nous avons évalué l'expression endogène de Sirt3 au cours de la différenciation des myoblastes murins C2C12, puis étudié l'effet de son inhibition sur le processus de différenciation et sur l'activité mitochondriale. Nous avons montré que l'expression de Sirt3 endogène augmente après induction de la différenciation des C2C12. Une inhibition stable de l'expression de Sirt3 par interférence (Short hairpin Sirt3, shSirt3) entraîne : 1) un blocage de la différenciation terminale des C2C12 reflété par une chute significative de l'index de fusion ainsi que de l'expression des marqueurs myogéniques MyoD, Myogénine et troponine T ; 2) une diminution de l'activité mitochondriale reflétée par une altération de l'expression de PGC-1alpha, VDAC et citrate synthase, et une diminution des activités enzymatiques des complexes de la chaîne respiratoire et de la respiration maximale des myoblastes ; 3) une augmentation de la production de DROs. Ces résultats suggèrent un rôle important de Sirt3 dans la différenciation des myoblastes, en relation avec son influence sur l'activité mitochondriale.Dans une seconde partie, nous avons évalué l'importance de Sirt3 in vivo sur le développement et le métabolisme du tissu musculaire en étudiant le phénotype de souris surexprimant l'isoforme courte (MCK-SIRT3M3) ou l'isoforme longue (MCK-SIRT3M1) de Sirt3 spécifiquement dans le muscle squelettique. Nos premiers résultats obtenus à l'âge de 3 mois montrent que la capacité oxydative des souris MCK-SIRT3M1 est plus faible et celle des souris MCK-SIRT3M3 plus élevée par rapport aux souris sauvages. Les souris MCK-SIRT3M3 présentent une atrophie musculaire dès l'âge de trois mois alors que la capacité musculaire et l'activité mitochondriale dans les muscles de ces souris ne sont pas modifiées. Avec l'âge, le phénotype des souris surexprimant l'isoforme M3 dans le muscle est plus marqué : l'atrophie s'accentue, le nombre de mitochondries augmente, et l'expression de la myosine de type 1 augmente alors que l'expression des myosines de type II diminue. Ces données indiquent que l'isoforme courte de Sirt 3 aurait une influence dans le développement et le métabolisme du muscle squelettique de souris. / Sirt3, one of the seven mammalian sirtuins, is a mitochondrial nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)-dependent deacetylase, and has been shown to control multiple key metabolic pathways. Sirt3 deacetylates and activates a large number of mitochondrial enzymes implicated in the activity of respiratory chain and ATP production, TCA and Urea cycles. We have previously shown that mitochondrial activity is importantly involved in the regulation of myoblast differentiation. Since Sirt3 modulates mitochondrial activity, we have investigated its influence on myoblast differentiation. First, we have evaluated endogen Sirt3 expression during C2C12 myoblast differentiation and then we examined the effect of its inhibition on the differentiation processes and on mitochondrial activity. We have shown that Sirt3 protein expression increased after the induction of myoblast differentiation. A stable inhibition of Sirt3 expression, using short hairpin Sirt3 (shSirt3) in C2C12 myoblasts resulted in: 1) abrogation of terminal differentiation reflected by a sharp decrease of the fusion index and a significant decrease of Myogenin, MyoD and Troponin T protein expression; 2) a decrease in mitochondrial activity reflected by alterations in PGC1-alpha, VDAC and citrate synthase expression, and a decrease in respiratory chain complexes activity and myoblast maximal respiration, 3) an increase in ROS production. These data suggest that Sirt3 plays an important role in the regulation of myoblast differentiation through its influence on mitochondrial activity.In a second part, to investigate the role of Sirt3, in vivo, in myogenesis and in mitochondrial activity, we have studied the effect of Sirt3 isoforms (short and long, MCK-SIRT3M3 and MCK-SIRT3M1 respectively) overexpression exclusively in skeletal muscle tissue of transgenic mice. We show that basal metabolism is lower MCK-SIRT3M1 mice and higher in MCK-SIRT3M3 compared to WT mice at 3 months of age. In 3 month-old MCK-SIRT3M3 mice, skeletal muscle is atrophied while muscle capacity and mitochondrial activity are not altered. Skeletal muscle phenotype evolves with age, in MCK-SIRT3M3 mice : increase in muscle atrophy, mitochondrial content. These data suggest that Sirt3 short isoform plays an important role in skeletal muscle development and metabolism in mice.

La sarcopénie est considérée comme un syndrome gériatrique se caractérisant par une diminution de la masse musculaire qui en s'aggravant sera à l'origine d'une détérioration de la force musculaire et des performances physiques. La sarcopénie est évidemment imputable au processus de vieillissement, mais son développement peut être accéléré sous l'effet de facteurs pathologiques et comportementaux. Depuis un siècle à peine, le comportement de l'homme moderne, en matière d'activité physique, a radicalement changé avec un mode de vie de plus en plus inactif. Cette inactivité chronique est apparue trop soudainement pour permettre à notre génotype de s'adapter, et contribue ainsi à accélérer ledéveloppement de la sarcopénie. Néanmoins, des interrogations subsistent concernant les mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels l'inactivité physique favoriserait ce syndrome gériatrique. L'objectif de ce travail de thèse était donc de déterminer certains de ces mécanismes en se centrant tout particulièrement sur le rôle des espèces dérivées del'oxygène (ERDO). En s'appuyant sur différents modèles expérimentaux d'activité (entraînement en endurance) et d'inactivité (suspension par la queue) chez le rongeur, nos travaux ont mis en évidence le rôle essentiel de la surproduction chronique d'ERDO (qu'elle soit liée à l'âge et/ou l'inactivité) dans l'activation de certains facteurs de transcription et kinases redox-sensibles impliqués dans la sarcopénie (i.e. NF-κB, p38 MAPK). Nos travaux démontrent également que l'avance en âge (et probablement l'inactivité chronique) induit une perte de réactivité de PGC-1α, un facteur de transcription redoxsensible régulant un certain nombre de mécanismes cellulaires impliqués dans la sarcopénie. Cette perte deréactivité pourrait s'expliquer par la surproduction chronique d'ERDO dans le muscle âgé

Le but de ce travail consistait à étudier les effets d'une activité physique modérée aiguë ou chronique sur le fonctionnement mitochondrial musculaire et hépatique. Nous avons étudié en parallèle la respiration mitochondriale et la production de ROS estimée par la mesure de l'H2O2 en présence de la sonde Amplex Red. Nous avons montré que l'exercice était à l'origine d'une augmentation de la production radicalaire et cela de façon persistante après 2h de récupération dans le muscle mais qui était décalée dans le foie. Cette production apparaît comme tolérée par la mitochondrie dont le statut antioxydant n'est pas affecté. Des mesures en présence de substrats et inhibiteurs spécifiques de la chaîne respiratoire mitochondriale, permettant d'isoler fonctionnellement les complexes de l'oxydation phosphorylante, nous ont permis de révéler des adaptations spécifiques des tissus. La deuxième partie du travail concernait l'étude de l'activité physique chronique modérée qui induit une augmentation de densité mitochondriale à la fois dans le muscle et le foie, associée à des adaptations fonctionnelles. La mitochondrie musculaire semble en effet plus efficace pour extraire des équivalents réduits en provenance des acides gras à travers un processus de slipping métabolique. La mitochondrie hépatique présente une amélioration de rendement d'oxydation en état phosphorylant à partir de substrats du complexe I. Les résultats suggèrent un fonctionnement diminué des mitochondries en réponse à l'exercice compensé par une augmentation du contenu en unités fonctionnelles. Les sites de production de ROS à l'exercice apparaissent tissu spécifique. En effet on observe que l'exercice modifie la production d'H2O2 à partir du complexe III dans le muscle et du I dans le foie. L'utilisation d'oligonucléotides antisens de PGC-1α, destinée à réprimer l'expression protéique de PGC-1α, n'a pas d'influence sur l'augmentation de densité mitochondriale induite par l'entraînement au niveau musculaire mais l'inhibe complètement dans le foie. Des adaptations fonctionnelles liées à l'absence de cette protéine régulatrice, passant par une perturbation de la respiration et de la production de ROS semblent confirmer un rôle majeur de PGC-1α dans les adaptations mitochondriales tissus spécifiques à l'exercice. Ces résultats suggèrent que les ROS pourraient contribuer par rétrocontrôle sur PGC-1α aux adaptations énergétiques induites par l'activité physique.

The normal adult heart prefers fatty acids as an energy substrate. In the case of heart failure, the heart switches its preference from fatty acids to glucose, adopting a pattern similar to fetal metabolism. PGC-1α is heavily involved in the shift towards glucose oxidation. p65, which belongs to the NF-κB transcription factor family is another crucial molecule involved in maintaining cardiac homeostasis. There is a substantial amount of evidence suggesting that PGC-1α and NF-κB directly interact, thereby connecting metabolic and inflammatory processes. Dysregulation of either PGC-1α or NF-κB signalling correlates to many diseases including heart disease. In this study, we provide further evidence that the NF-κB family has the ability to repress PGC-1α. We also show that the PGC-1α promoter contains a p65 binding site through which p65 imparts control on the PGC-1α gene. Metabolic homeostasis and inflammation pathways are closely linked and play crucial roles in heart dysfunction.