Immoderate energy intake, a sedentary lifestyle, and aging have contributed to the increased prevalence of obesity, sarcopenia, metabolic syndrome, type 2 diabetes, and cardiovascular disease. There is an urgent need for the development of novel pharmacological interventions that can target excessive fat accumulation and decreased muscle mass and/or strength. Adipokines, bioactive molecules derived from adipose tissue, are involved in the regulation of appetite and satiety, inflammation, energy expenditure, insulin resistance and secretion, glucose and lipid metabolism, and atherosclerosis. Recently, there is emerging evidence that skeletal muscle and the liver also function as endocrine organs that secrete myokines and hepatokines, respectively. Novel discoveries and research into these organokines (adipokines, myokines, and hepatokines) may lead to the development of promising biomarkers and therapeutics for cardiometabolic disease. In this review, I summarize recent data on these organokines and focus on the role of adipokines, myokines, and hepatokines in the regulation of insulin resistance, inflammation, and atherosclerosis.
PURPOSE: This study was to investigate the Glycolysis mediated sarcoplasmic reticulum (SR) $Ca^{2+}$ signal regulates mitochondria $Ca^{2+}$ during skeletal muscle contraction by using glycolysis inhibitor. METHODS: To examine the effect of Glycolysis inhibitor on SR and mitochondria $Ca^{2+}$ content, we used skeletal muscle fiber from gastrocnemius muscle. 2-deoxy glucose and 3-bromo pyruvate used as glycolysis inhibitor, it applied to electrically stimulated muscle contraction experiment. Intracellular $Ca^{2+}$ content, SR, mitochondria $Ca^{2+}$ level and mitochondria membrane potential (MMP) was detected by confocal microscope. Mitochondrial energy metabolism related enzyme, citric acid synthase activity also examined for mitochondrial function during the muscle contraction. RESULTS: Treatment of 2-DG and 3BP decreased the muscle contraction induced SR $Ca^{2+}$ increase however the mitochondria $Ca^{2+}$ level was increased by treatment of inhibitors and showed and overloading as compared with the control group. Glycolysis inhibitor and thapsigargin treatment showed a significant decrease in MPP of skeletal muscle cells compared to the control group. CS activity significantly decreased after pretreatment of glycolysis inhibitor during skeletal muscle contraction. These results suggest that regulation of mitochondrial $Ca^{2+}$ levels by glycolysis is an important factor in mitochondrial energy production during skeletal muscle contraction CONCLUSIONS: These results suggest that mitochondria $Ca^{2+}$ level can be regulated by SR $Ca^{2+}$ level and glycolytic regulation of intraocular $Ca^{2+}$ signal play pivotal role in regulation of mitochondria energy metabolism during the muscle contraction.
The effects of an anabolic steroid, nandrolone phenylpropionate(NPP), on body weight gain and body protein, and muscle protein metabolism were inestigated in adrenocorticotrophic hormone(ACTH)-treated male and female rats. Daily injections of 100ug/day of ACTH for 7-8 days caused a cessation of growth in females and a net loss of body weight in males which were associated with significant reductions in body protein content. However, food intake was not affected by ACTH in either sex. The weight, protein content and fractional rate of protein synthesis, measured in vivo, of gastrocnemius muscle were all significantly reduced in both sexes. NPP at a dose of 4mg/kg body weight prevented the reduction in body weight gain in ACTH-treate females but not in males. However, boy protein content was increased by NPP in both sexes which was associated with increases in the weight, protein content and fractional rate of protein synthesis of gastrocnemius muscle. ACTH treatment caused a marked increase in plasma concentrations of corticosterone in both sexes. NPP suppressed much of the increases in corticosterone concentrations in both sexes. The results of the present study suggest that NPP exerts at least part of its anabolic effect by reducing plasma concentrations of catabolic glucocorticoid hormones, through suppressing the response of the adrenals to ACTH.
Objectives : This study aimed to effects antioxidant activity of citrus peel extract (CPE) and effect on its glucose metabolism in L6 rat skeletal muscle cells. Methods : Antioxidative activities were evaluated by using 10 kinds of natural materials, and total polyphenol and flavonoid contents were examined. The L6 muscle cells toxicity of CPE was examined by MTT assay. Expression of glucose-related genes in L6 muscle cells by CPE treatment was analyzed by real-time PCR and western blotting. Results : The $IC_{50}$ values of DPPH and ABTS free radical scavenging activity of CPE were ($15.47{\pm}0.26{\mu}g/m{\ell}$ and $12.07{\pm}1.23{\mu}g/m{\ell}$, respectively), effectively clearing DPPH and ABTS. CPE showed total polyphenol and flavonoid contents ($20.30{\pm}0.38$ and $64.20{\pm}0.52$, respectively). The selected CPE were used in experiments using an effective concentration that is not toxic in L6 muscle cells. We investigated insulin receptor substrate-1 (IRS-1), phosphatidylinositol 3-kinase regulatory (PI3KR), Akt, and glucose transporter 4 (GLUT4). mRNA analysis by realtime PCR showed no significant difference, but CPE-treated cells showed a tendency to increase in concentration-dependent manner. However, analysis of protein expression of Akt and GLUT4 by western blotting showed that CPE treatment significantly increased concentration dependent (p<0.001). Conclusions : As a result, citrus peel extract with high antioxidant activity regulates glucose metabolism in L6 muscle cells. Therefore, CPE can be a potential treatment for the treatment of diabetes.
Skeletal muscle insulin resistance, which increases the risk for developing various metabolic diseases, including type 2 diabetes, is a common metabolic disorder in obesity and aging. If potential treatments are to be developed to treat insulin resistance, then it is important to fully understand insulin signaling and glucose metabolism. While recent large-scale "omics" studies have revealed the acetylome to be comparable in size to the phosphorylome, the acetylation of insulin signaling proteins and its functional relevance to insulin-stimulated glucose transport and glucose metabolism is not fully understood. In this Mini Review we discuss the acetylation status of proteins involved in the insulin signaling pathway and review their potential effect on, and relevance to, insulin action in skeletal muscle.
Park, Su Hyun;Kim, Young Hwa;Lee, Hyun Jeong;Baek, Youl Chang;Kim, Min Seok;Jeong, Jin Young;Oh, Young Kyun;Park, Sung Kwon
농업과학연구
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제44권4호
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pp.586-594
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2017
Mitochondrial activity affects skeletal muscle energy metabolism and phenotype. To address whether mitochondrial activity can modulate muscle phenotype in vitro, protein expression of myosin heavy chain (MyHC) in C2C12 muscle cell lines was investigated after treated with antimycin A, an inhibitor of oxidative phosphorylation in mitochondria. Fully differentiated C2C12 myotubes were administrated with different concentration of antimycin A including 0, 100, 200, 500, 700, and 1000 ng/mL. After 72 h treatment, myosin heavy chain isoform expression and related enzyme activity (lactate dehydrogenase; LDH and creatine kinase) were analyzed. Administration of antimycin A changed expression of MyHC in C2C12 myotubes showing a shift from slow to fast twitching muscle type. Protein expression of MyHC type 2b (fast twitching muscle type) was decreased (P < 0.05) by antimycin A treatment (500, 700, and 1000 ng/mL) when compared with control group. Administration of antimycin A (1000 ng/mL), however, decreased (P < 0.05) MyHC type I (slow twitching muscle type). Interestingly, LDH activity was increased (P < 0.05) by antimycin A treatment. Results from our current study proposed a possibility that skeletal muscle phenotype, including MyHC and LDH activity, can be shifted from slow to fast twitching type by inhibiting the mitochondrial activity in C2C12 myotubes.
Obesity is known to induce inhibition of glucose uptake, reduction of lipid metabolism, and progressive loss of skeletal muscle function, which are all associated with mitochondrial dysfunction in skeletal muscle. Mitochondria are dynamic organelles that regulate cellular metabolism and bioenergetics, including ATP production via oxidative phosphorylation. Due to these critical roles of mitochondria, mitochondrial dysfunction results in various diseases such as obesity and type 2 diabetes. Obesity is associated with impairment of mitochondrial function (e.g., decrease in $O_2$ respiration and increase in oxidative stress) in skeletal muscle. The balance between mitochondrial fusion and fission is critical to maintain mitochondrial homeostasis in skeletal muscle. Obesity impairs mitochondrial dynamics, leading to an unbalance between fusion and fission by favorably shifting fission or reducing fusion proteins. Mitophagy is the catabolic process of damaged or unnecessary mitochondria. Obesity reduces mitochondrial biogenesis in skeletal muscle and increases accumulation of dysfunctional cellular organelles, suggesting that mitophagy does not work properly in obesity. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress are reported to trigger apoptosis, and mitochondrial apoptosis is induced by obesity in skeletal muscle. It is well known that exercise is the most effective intervention to protect against obesity. Although the cellular and molecular mechanisms by which exercise protects against obesity-induced mitochondrial dysfunction in skeletal muscle are not clearly elucidated, exercise training attenuates mitochondrial dysfunction, allows mitochondria to maintain the balance between mitochondrial dynamics and mitophagy, and reduces apoptotic signaling in obese skeletal muscle.
Objective: On the hypothesis that grazing of cattle prompts organs to secrete or internalize circulating microRNAs (c-miRNAs) in parallel with changes in energy metabolism, we aimed to clarify biological events in adipose, skeletal muscle, and liver tissues in grazing Japanese Shorthorn (JSH) steers by a transcriptomic approach. Methods: The subcutaneous fat (SCF), biceps femoris muscle (BFM), and liver in JSH steers after three months of grazing or housing were analyzed using microarray and quantitative polymerase chain reaction (qPCR), followed by gene ontology (GO) and functional annotation analyses. Results: The results of transcriptomics indicated that SCF was highly responsive to grazing compared to BFM and liver tissues. The 'Exosome', 'Carbohydrate metabolism' and 'Lipid metabolism' were extracted as the relevant GO terms in SCF and BFM, and/or liver from the >1.5-fold-altered mRNAs in grazing steers. The qPCR analyses showed a trend of upregulated gene expression related to exosome secretion and internalization (charged multivesicular body protein 4A, vacuolar protein sorting-associated protein 4B, vesicle associated membrane protein 7, caveolin 1) in the BFM and SCF, as well as upregulation of lipolysis-associated mRNAs (carnitine palmitoyltransferase 1A, hormone-sensitive lipase, perilipin 1, adipose triglyceride lipase, fatty acid binding protein 4) and most of the microRNAs (miRNAs) in SCF. Moreover, gene expression related to fatty acid uptake and inter-organ signaling (solute carrier family 27 member 4 and angiopoietin-like 4) was upregulated in BFM, suggesting activation of SCF-BFM organ crosstalk for energy metabolism. Meanwhile, expression of plasma exosomal miR-16a, miR-19b, miR-21-5p, and miR-142-5p was reduced. According to bioinformatic analyses, the c-miRNA target genes are associated with the terms 'Endosome', 'Caveola', 'Endocytosis', 'Carbohydrate metabolism', and with pathways related to environmental information processing and the endocrine system. Conclusion: Exosome and fatty acid metabolism-related gene expression was altered in SCF of grazing cattle, which could be regulated by miRNA such as miR-142-5p. These changes occurred coordinately in both the SCF and BFM, suggesting involvement of exosome in the SCF-BFM organ crosstalk to modulate energy metabolism.
Insulin signaling is coordinated by insulin receptor substrates (IRSs). Many insulin responses, especially for blood glucose metabolism, are mediated primarily through Irs-1 and Irs-2. Irs-1 knockout mice show growth retardation and insulin signaling defects, which can be compensated by other IRSs in vivo; however, the underlying mechanism is not clear. Here, we presented an Irs-1 truncated mutated mouse ($Irs-1^{-/-}$) with growth retardation and subcutaneous adipocyte atrophy. $Irs-1^{-/-}$ mice exhibited mild insulin resistance, as demonstrated by the insulin tolerance test. Phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) activity and phosphorylated Protein Kinase B (PKB/AKT) expression were elevated in liver, skeletal muscle, and subcutaneous adipocytes in Irs-1 deficiency. In addition, the expression of IRS-2 and its phosphorylated version were clearly elevated in liver and skeletal muscle. With miRNA microarray analysis, we found miR-33 was down-regulated in bone marrow stromal cells (BMSCs) of $Irs-1^{-/-}$ mice, while its target gene Irs-2 was up-regulated in vitro studies. In addition, miR-33 was down-regulated in the presence of Irs-1 and which was up-regulated in fasting status. What's more, miR-33 restored its expression in re-feeding status. Meanwhile, miR-33 levels decreased and Irs-2 levels increased in liver, skeletal muscle, and subcutaneous adipocytes of $Irs-1^{-/-}$ mice. In primary cultured liver cells transfected with an miR-33 inhibitor, the expression of IRS-2, PI3K, and phosphorylated-AKT (p-AKT) increased while the opposite results were observed in the presence of an miR-33 mimic. Therefore, decreased miR-33 levels can up-regulate IRS-2 expression, which appears to compensate for the defects of the insulin signaling pathway in Irs-1 deficient mice.
Objective: Jining Grey goat is a local Chinese goat breed that is well known for its high fertility and excellent meat quality but shows low meat production performance. Numerous studies have focused on revealing the genetic mechanism of its high fertility, but its highlighting meat quality and muscle growth mechanism still need to be studied. Methods: In this research, an integrative analysis of the genomics and transcriptomics of Jining Grey goats compared with Boer goats was performed to identify candidate genes and pathways related to the mechanisms of meat quality and muscle development. Results: Our results overlap among five genes (ABHD2, FN1, PGM2L1, PRKAG3, RAVER2) and detected a set of candidate genes associated with fatty acid metabolism (PRKAG3, HADHB, FASN, ACADM), amino acid metabolism (KMT2C, PLOD3, NSD2, SETDB1, STT3B, MAN1A2, BCKDHB, NAT8L, P4HA3) and muscle development (MSTN, PPARGC1A, ANKRD2). Several pathways have also been detected, such as the FoxO signaling pathway and Apelin signaling pathway that play roles in lipid metabolism, lysine degradation, N-glycan biosynthesis, valine, leucine and isoleucine degradation that involving with amino acid metabolism. Conclusion: The comparative genomic and transcriptomic analysis of Jining Grey goat and Boer goat revealed the mechanisms underlying the meat quality and meat productive performance of goats. These results provide valuable information for future breeding of goats.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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