SVENSK
IDROTTSFORSKNING
NR1-2001
4&r
Ny doktorsavhandling
Intracellulär signalering
vid akut fysiskt arbete
Vid träning så sker en rad olika förändringar i skelettmuskulaturen. Denna anpassning
innebär bland annat ökat sockerupptag, rler mitokondrier samt kapillär- och muskeltillväxt. Men vilka signaler är det som startar dessa processer? Hur sker kommunikationen
inuti muskelcellen från träningsstimuli till igångsättandet av olika gener?
ULRIKA WIDEGREN
iNsrmmoNEN FÖR
FYSJOLOGIOCH
FARMAKOLOGl
KAROLINSKA INSTITUTET
Regelbunden fysisk aktivitet och träning har en rad effekter på skelettmuskulaturens metabolism
(ämnesomsättning), vilket inkluderar
förändringar i användandet av fett och
kolhydrater som bränsle, upptag av
glukos och aminosyror samt proteinnybildning (1-3). Dessa förändringar
medieras sannolikt av både strukturella
(exempelvis ökad mängd mitokondrier
och kapillärer) och biokemiska (exempelvis ändrad mängd och aktivitet av
olika enzymer) anpassningar till ökad
muskelaktivitet.
rabildningen, samt temperaturen stiger
i skelettmuskulaturcn. I samband med
muskelkontraktion kommer även muskelcellerna att utsättas för mekanisk
sträckning. Dessa faktorer är några
av de stimuli som föreslagits vara
av betydelse för skelettmuskulaturens
anpassning till ökad fysisk aktivitet och
träning (Fig. 1).
Syslemiska faktorer
Träningsstimuli
En rad olika faktorer har föreslagits
som möjliga faktorer bakom den
anpassning man observerar i skelettmuskulaturen vid ökad regelbunden
träning (1, 4). Mest troligt är att förändringar i muskulaturen inte beror på
en enda mekanism, utan snarare är ett
samspel mellan en rad olika systemiska
och/eller lokala faktorer. Sannolikt är
de träningsinduccrade förändringarna
kumulativa effekter av upprepade träningstillfallen. Men de initiala svaren,
som sedan leder till långsiktiga förändringar borde ske vid varje enskilt
träningspass. Vid ett arbetspass (akut
fysisk aktivitet), till exempel cykling,
sjunker mängden syre, ökar mjölksy-
Lokal frisailning av
tillväxtfaktorer och
cytoklner
Figur 1. Troliga faktorer involverade i träningsinducerade förändringar i skelettmuskel.
Den här figuren är inte en komplett bild av
alla faktorer som kan initiera träningsinducerade förändringar, utan snarare ett försök att
illustrera de vanligaste föreslagna faktorerna.
Dessa faktorer är av såväl extra- som Intracellulärt ursprung. Anpassning till fysisk aktivitet
och träning beror sannolikt på en kombination
av flera av dessa faktorer och inte endast av
en enda mekanism. KH - kolhydrater, ROS - f r i a
syreradikaler.
PDF compression, OCR, web optimization using a watermarked evaluation copy of CVISION PDFCompressor
SVENSK
IDROTTSFORSKNING
^r
NR1-2001
Träning innebär belastning på muskelns
celler. De organ och system som engageras
stimuleras till en ökad nybildning och positiva förändringar, för att svara upp mot det
ökade arbetskravet Mycket forskning Aterstår för att förklara vilka mekanismer som
är avgörande och hur muskelcellens gener
stimuleras till denna nybildning.
Bild Artur Forsberg
Transkription
RNA processande
PROTEIN
RNA slablllsorlng
*****
• processande
• Iransport
• stabilisering
^
Translation
Figur 2. Olika steg i regleringen av genuttryck.
Efter transkription processas RNA till messenger RNA (mRNA). Därefter sker translation
som följs av ytterligare processande, samt
transport och stabilisering till det egentliga
proteinet.
Exempelvis:
Hypertrofi,
T Oxidativ kapacitet,
t Glukostransport
Figur 3. Fysisk aktivitet påverkar både befintliga
proteiner såväl som genuttryck. Detta utgör
grunden för anpassning till träning.
Träning - cellulärt svar
De ovan beskrivna träningsinducerade
stimuli medierar bland annat sina
effekter dels genom att påverka befintliga proteiner i skelettmuskulaturen,
exempelvis förflyttning av glukostransportörer (GLUT4) till cellmembranet,
vilket möjliggör ökat glukosupptag.
Ett annat svar på dessa stimuli är
aktivering av olika proteiners nybildning alternativt nedbrytning. En ökad
nybildning sker vanligtvis via ökad
"avskrivning" (transkription) av cellens gener (Fig. 2). Signaler mellan stimulus och dess effekt sker med hjälp
av ett cellulärt nätverk som består
av ett flertal proteiner och benämns
L
intracellulär signalering. Fortfarande är
mycket Ute känt om vilka molekylära
signaler som länkar samma kontraktions- och andra träningsassocierade
stimuli till intracellulära svar och for^
ändringar i musklerna (Fig. 3).
Intracellulär signalering
Från studier av olika typer av cellsystem har det visats att ett antal
intracellulära signaleringskaskadcr är
av kritisk betydelse för regleringen
av olika biologiska funktioner Fosforylering av proteiner innebär att en
eller flera fosfatgrupper kopplas på
(proteinkinaser). Detta är en viktig
regleringsmekanism, vilket utgör ett
budbärarsystem som är kopplat till
receptorer på cellytan eller inducerat
genom cellulär stress (5).
MAP kinas
En signaleringsväg, MAP kinaskaskaden, har visats vara nödvändig för att
överföra extracellulära signalen vilka
leder till en mängd svar i cellen,
exempelvis celltillväxt och celldelning,
anpassning till olika typer av cellulär
stress samt programmerad celldöd (6).
Idag finns det ett antal MAP kinas
familjemedlemmar beskrivna. Dessa
brukar ofta delas in i separata signaleringsvägar (Fig. 4) och aktiveras något
olika. När MAP kinascma aktiveras,
PDF compression, OCR, web optimization using a watermarked evaluation copy of CVISION PDFCompressor
SVENSK
IDROTTSFORSKNING
NR 1 - 2 0 0 1
Är
Många av de fysiska svaren på träning
finns inuti muskeln. Med hjälp av en
biopsinål (-tång) kan man ta ut muskelprover som sedan kan analyseras
på olika sätt. Prover togs före, under
och efter ett 60 min långt träningspass. Provtagning förutsätter
bedövning. Bild Artur Forsberg
genom fosforylering, kan de
antingen vidare aktivera andra
proteiner och/eller förflyttas in
till cellkärnan och där aktivera
olika transkriptionsfaktorer (7).
Transkriptionsfaktorer är viktiga för regleringen av olika genuttryck, vilket i slutänden kan
leda till nybildning av ett protein (Fig. 2). MAP kinascr finns
representerade i alla muskeltypcr (skelett-, bjärt- och glatt
muskelvävnad). Dock har de
Bestå studierna utförts i hjärtmuskelceller och glattmuskel. Bland annat
har man funnit att MAP kinas signaleringen är stimulerad vid mekanisk
sträckning i odlade hjärtmuskelceller
och verkar ha betydelse för sträckinducerad muskeltillväxt (8). Detta gör
att MAP kinaskaskaden är en tänkbar
I
TOIväxtfmktoMf
C*muWr«tr9*m/
kandidat för att förmedla träningsinducerade signaler i skelettmuskulaturen. 1
linje med en sådan hypotes är nyligen
visade data där MAP kinaskaskaden
aktiveras vid ett arbetspass (löpning på
band) i skelertmuskulatur hos råtta (9).
Det huvudsakliga syftet med denna
avhandling har varit att undersöka
aktivering av MAP kinas signaleringskaskaden vid akut fysiskt arbete
(Tabell l ) .
cytokiner
Elektrisk stimulering av långsam och
snabb muskelfibertyp hos råtta (studie
Första studien i avhandlingen belyste
effekter av elektrisk stimulering (muskelkontraktion). Femton minuters elstimulering ökade fosfory teringen av både
det tillväxtfaktoraktiveradc, ERK1/2,
och det mer stressaktiverade, p38
MAP kinas, MAP kinasen. Dessutom
uttrycktes dessa MAP kinaser i högre
utsträckning (högre nivå av proteinet)
i den långsamma muskeln jämfört med
de snabba.
Effekt av akut en-bens cykling på MAP
kinas aktivitet i skelettmuskulatur hos
människa (studie II).
Figur 4. Schematiskt diagram över mitogenaktiverat proteinkinaskaskaden beskrivna i cellkultursystem. MAP kinaserna delas ofta upp i
separata signalerlngsvagar; ERK-, JNK-, och p38
MAP kinas.
IL
I studie 11 användes en-bens cykling
som arbetsmodell. Biopsier togs före,
under och efter det 60 minuter långa
arbetspasset (Fig. 5). Akut fysiskt
arbete visade sig ha olika effekt på
de separata MAP kinas signaleringsvä-
gama. ERK1/2 och dess ovanför liggande kinas MEK1/2, samt p38 MAP
kinas och dess ovanför liggande kinas
SEK1 aktiverades vid muskelarbete.
För tre av dessa fyra kinascr så skedde
aktiveringen endast i den arbetande
muskeln och inte i det vilande benet.
Akut fysiskt arbete ledde däremot till
en ökad fosforylering av p38 MAP
kinas även i det icke-arbetande benet,
vilket kan tyda på att systemiska faktorer spelar roll i aktiveringen av
detta kinas. Kraftigast effekt hade akut
arbete på ERK1/2 i jämförelse med de
övriga studerade MAP kinasema.
Utöver MAP kinas signalering så
undersöktes även Akt kinas; viktigt signaleringsprotein vid insulinstimulerat
glukosupptag, PYK2; kalciumkänsligt
proteinkinas, samt CREB; transkriptionsfaktor som bland annat aktiveras
av MAP kinas. I motsats till MAP
kinasema så skedde ingen aktivering
av dessa tre intracellulära proteiner vid
akut fysiskt arbete.
Arbetande
i i
i
EFTER ARBETE
1
00
15
00
-*rb«(*nd#
Arbetsbelastning:
70%«v*n-b*n»VO,mmx
Figur 5. Schematisk bild av en-bens cyklingsprotokollet som användes i studie II och IV.
Pilarna motsvarar muskelprovtagning i lårmuskulaturen. Inte fler än tre biopsier per försöksperson togs i det arbetande benet.
PDF compression, OCR, web optimization using a watermarked evaluation copy of CVISION PDFCompressor
SVENSK
IDROTTSFORSKNING
NR 1 - 2 0 0 1
Effekt av låg och hög arbetsintensitet
på MAP kinas aktivering (studie III).
Den ökade MAP kinas fosforyleringen
vid muskelarbete sker på ett intensitetsberoende sätt. I j g - (40 % av VO^max)
och högintensivt (75 % av VO^mäx)
arbete (Fig. 6) ledde till signifikanta
skillnader mellan vila, låg och hög
intensitet. Åven i denna studie sågs inte
någon ökad fosforylering i det ickearbetandc benet, vilket styrker en lokal
stimulering snarare än en systemisk.
I denna studie undersöktes även
frystorkade muskelbitar, där bindväv
och blodceller tagits bort. 1 de frystorkade musklerna var fosforyleringen
av MAP kinas högre vid akut fysiskt
arbete jämfört med icke frystorkad
muskel Eran samma biopsi. Detta kan
tala för att den ökade fosforyleringen
av MAP kinas vid arbete sker i själva
muskelcellen.
Effekt på signaleringsproteiner som
aktiveras av MAP kinaser (studie IV).
För att undersöka om den ökade aktiviteten av MAP kinasema ledde till en
aktivering av "nedströms" signaleringsproteiner, användes samma arbetsmodell som i studie IT. Akut fysiskt arbete
ledde till en ökad aktivering av MSK1,
MSK2, p90rsk och MAPKAPK2, vilka
är nedströms liggande substrat för
MAP kinasema och är delaktiga i regleringen av olika transkriptionsfaktorer.
Detta innebär att kontraktionsinducerad MAP kinassignalcring skulle kunna
kopplas till transkriptionell aktivering.
1 Ggur 7 sammanfattas resultaten
av akut fysiskt arbete och olika signaleringsproteiner som undersökts i
avhandlingen.
Slutsatser och betydelse
Kontraktion i sig var tillräckligt för
att aktivera MAP kinas, vilket kunde
visas med elstimulering av en muskel
där neuronala och hormonella faktorer
inte finns närvarande. Självfallet kan
inte systemiska faktorer räknas bort,
Arbetande
,
I
75%ofVO^,
WXofVO».
kke-efbetande
^
{
Figur 6. Schematisk bild av en-bens cyklingsprotokollet som användes i studie III vid arbete
på låg och hög intensitet. Pilarna symboliserar
biopsitagning från lårmuskulaturen.
^&r
Tabell 1. Artiklar ingående i avhandlingen.
^7"
Figur 7. Sammanfattning av resultaten, från de i
avhandlingen ingående studierna, rörande aktivering av olika proteinkinaser vid akut muskel-
utan möjligheten Enns att dessa faktorer kan ytterligare öka, eller motsatt,
minska aktiveringen.
MAP kinasema aktiverades olika
vid akut fysiskt arbete. ERK1/2 aktiveringen skedde lokalt i den arbetande
muskeln, medan p38 MAP kinas även
verkar stimuleras av systemiska faktorer. Dock är fortfarande mekanismerna
bakom hur MAP kinaskaskaden aktiveras, vilka träningsinducerade stimuli
som är ansvariga för igångsättandet av
de här signaleringsvägama, oklara.
Den intensitetsrelaterade ökningen
av MAP kinas fosforylering styrker
dess betydelse i de träningsinducerade
anpassningar som sker i skelettmuskulaturen. Vidare, observationen att
även ett lågintensivt arbete kan aktivera dessa signaleringssystem kan vara
av klinisk betydelse. Inaktivitet, åldrande samt olika typer av sjukdomar
kan begränsa fysisk aktivitet och träning av högintensiv karaktär.
Att MAP kinasema aktiverar nedströms liggande signaleringsproteine^
vilka är kända for att reglera transkriptionsfaktorer indikerar på en potentiell
fysiologisk mekanism for hur fysisk
aktivitet kan reglera genuttryck.
Slutord
Naturligtvis krävs det mycket mera
forskning kring detta område för att få
mer exakt kunskap om hur MAP kinas,
som länk mellan fysisk aktivitet/träning
och genrcglcring, fungerar. Mekanismerna bakom detta är potentiella
vägar för att designa farmakologiska
medel för exempelvis kontroll av
protcinnybildning, vilket kan förebygga muskelförtvining och/eller förbättra blodsockemivåema. Dessutom
kommer djupare kunskaper om kommunikationen i muskelceller att förbättra förståelsen av olika typer av
träning samt underlätta vid mer individanpassad träning.
I. Wrctman C, Widegrcn U, Lionikas A, Wlratcr^
blad H, and JI knrikaon. Differential aenvadon
of mitogen-activated protein kinase xignalling
pathways by uometric contraction: in isolated
slow- and fast-twitch rar skeletal musele. Acta
Phyaiologica Scandinavka, 2000,170,43-49.
II. Wakgrcn U, Jiang XJ, Krook A, Chibalin
AV, Bjömholm M, Tally M, Roth RA, Hcnriks#on J, Wdlberg-Hcnnksxon 11, and JR Zierath.
Divergent effects of exercise on metanolic and
mitogenic xignaling padnvays in human akclctal
muack. HASEBJonmal, 1998,12,1379-1389.
III. Widcgrcn U, Wrctman C, Lionikas A, Hedin
G, and J HcnriksMm. Tnflncncr of exercise
intendty on the ERK/MAP kinaM mgnalling in
human skeletal muaclc Mogen Archiv, 200Ö,
441:317-322.
IV. Krook A, Widcgrcn U, Jiang XJ, Henriksson
J, Wallberg-Henriksson H, Alcssi D, and JR Zierath. Effects of exercise on mitogen- and stressactivated kinase signal transduetion in human
ikeletal muack. American jonmal of Physiology,
2000, 279, R1716-R1721.
Referenser
1. Booth FW kThomason DB. Molecnlar and
cellulär adaptation of musele in response to
exercise: pcrspectives of various models. Physiol Rev 1991;71(2):541-85.
2. Booth FW & Baldwin KW. Mnscle plasticity: encrgy demand and supply processes. In:
Handbook of Physiology, Exercise: Regulation
and Integration of Multiple Systems, cdited
by LB Rowcll. New York: Am Physiol Soc,
Oxford Universiry Press; 1996. p 1075-1123.
3. Williams RD 8c Neufer PD. Regulation of
gene expression in skeletal musele by contractilc activity. In: Handbook of Physiology, Exercise: Regulation and Integration of Multiple
Systems, cdited by LB Rowell. New York: Am
Physiol Soc, by Oxford Universiry Press; 1996.
p 1124-1150.
4. Saltin B 6c Gollnick PD. Skeletal musele
adaptability: signiHcance for metabolism and
performancc. In: Handbook of Physiology,
Skeletal Musele, cdited by LD Peachey.
Bethesda, MD: Am Physiol Soc, Waverty Press;
1983. p 535-631.
5. Anderson NG, Malier JL, Ibnks NK,
Sturgill TW. Rcquirement for integration of
signals from two distinct phosphorylarion pathways for activarion of MAP kinase. Naturc
1990;343(6259):651-3.
6. Widmann C, Gibson S, Jarpc MB, Johnson
GL. Mitogen-activated protein kinase: conscrvation of a three-kinasc module from ycast to
human. Physiol Rev 1999;79(1): 143-80.
7. Karin M. The regulation of AP-1 activity by
mitogen-activated protein kinases. J Biol Chem
1995;270(28):164B3-6.
8. Yamazaki T, Komuro I, Kudoh S, Zon Y,
Shiojima I, Mizuno 1^ et al. Mechanical stress
activatcs protein kinase cascade of phosphorylarion in neonatal rat cardiac myocytes. J din
Invest1995;96(l):43B-46.
9. Goodyear IJ, Chang PY Sherwood
DJ, Dufresne SD, Möller DE. Effects of
exercise and insulin on mitogen-activated
protein kinase signaling pathways in rat
skeletal musele. Am J Physiol 1996^71 (2 Pt
l):E403-8.
E-maih [email protected]
PDF compression, OCR, web optimization using a watermarked evaluation copy of CVISION PDFCompressor
