Resumen
El envejecimiento humano está asociado con la atrofia del músculo esquelético y el deterioro funcional (sarcopenia). Múltiples líneas de evidencia sugieren que la disfunción mitocondrial es un importante contribuyente a la sarcopenia. Evaluamos si el envejecimiento saludable se asoció con un perfil transcripcional que refleja el deterioro mitocondrial y si el ejercicio de resistencia podría revertir esta firma a que se aproxima a una edad fisiológica más joven. Las biopsias del músculo esquelético de los hombres y mujeres adultas mayores (n = 25) y más jóvenes (n = 26) se compararon con el perfil de expresión génica, y un subconjunto de estos se relacionó con las mediciones de la fuerza muscular. 14 de los adultos mayores tenían muestras musculares antes y después de un programa de entrenamiento de ejercicios de resistencia de seis meses. Antes del entrenamiento con ejercicios, los adultos mayores eran 59% más débiles que más jóvenes, pero después de seis meses de entrenamiento en adultos mayores, la fuerza mejoró significativamente (P <0.001) de modo que eran solo un 38% más bajos que los adultos jóvenes. Como consecuencia de la edad, encontramos 596 genes expresados diferencialmente utilizando un corte de tasa de descubrimiento falso del 5%. Antes del entrenamiento del ejercicio, el perfil del transcriptoma mostró un enriquecimiento dramático de los genes asociados con la función mitocondrial con la edad. Sin embargo, después del entrenamiento del ejercicio, la firma transcripcional del envejecimiento se revirtió notablemente a la de los niveles más jóvenes para la mayoría de los genes que se vieron afectados tanto por la edad como por el ejercicio. Concluimos que los adultos mayores sanos muestran evidencia de deterioro mitocondrial y debilidad muscular, pero que esto puede revertirse parcialmente a nivel fenotípico y revertirse sustancialmente a nivel de transcriptoma, después de seis meses de entrenamiento con ejercicio de resistencia.
Introducción
El envejecimiento humano se asocia con la atrofia muscular (sarcopenia), la debilidad y el deterioro funcional, que comienzan en la cuarta década de la vida con una tasa de pérdida de fuerza de aproximadamente 1.0% por año, acelerando con cada década que pasa(1). Una sarcopenia funcionalmente debilitante afecta a aproximadamente el 7% de los adultos mayores de 70 años, y hasta el 20% de los 80 años(2), (3). El costo anual estimado de los problemas de salud relacionados con la sarcopenia al sistema de atención médica de los EE. UU. Es de más de 18 mil millones de dólares anuales.(4). Las causas del envejecimiento organismo son complejas, y una variedad de procesos comunes se han implicado en múltiples tejidos que están involucrados en impulsar la disminución de la función observada con una edad creciente. Algunos factores potenciales implicados en la disminución funcional del músculo incluyen muerte celular programada, estrés oxidativo, alteraciones en el recambio de proteínas, inflamación, desregulación hormonal, desuso y disfunción mitocondrial(5)–(10). Las asociaciones entre la disfunción mitocondrial, la acumulación de deleciones de ADN mitocondrial y la sarcopenia se han visto en fibras individuales aisladas del músculo esquelético en varias especies, incluidos los humanos, incluidos los humanos (6), (11)–(14). El apoyo reciente para un papel central de las mitocondrias en los cambios degenerativos asociados con el envejecimiento proviene de un ratón «mutador» de polimerasa gamma transgénica que recapitula muchos de los rasgos característicos del envejecimiento humano(15), (16).
Varios estudios han evaluado la abundancia de transcripción en el músculo esquelético humano(8), (17), (18)algunos de los cuales han implicado el deterioro mitocondrial en adultos sanos(17), (18). Un informe reciente también indicó que la disfunción mitocondrial era una característica del envejecimiento(19); Sin embargo, el tejido muscular se cosechó de pacientes sometidos a cirugía por enfermedades que pueden alterar la abundancia de ARNm mitocondrial en el músculo esquelético, como el cáncer.(20), (21). Otro estudio caracterizó la «firma molecular de la sarcopenia» en adultos jóvenes y mayores sanos, pero no informó alteraciones importantes en la abundancia de transcripciones mitocondriales(8). Se ha sugerido que las firmas de transcriptoma del envejecimiento podrían usarse para evaluar las terapias destinadas a contrarrestar la sarcopenia en humanos, como el ejercicio.(8)y este enfoque se ha utilizado para evaluar los efectos beneficiosos de la restricción calórica en el músculo esquelético murino(22).
La actividad física a largo plazo se asocia con una reducción en la morbilidad y mortalidad en humanos(23). El ejercicio de resistencia puede aumentar la fuerza muscular, la función y la masa en adultos mayores incluso en los 9th década de la vida(24). Un aumento en la fuerza muscular y la hipertrofia son los principales resultados fenotípicos de los programas de ejercicios de resistencia en adultos más jóvenes.(25); Sin embargo, el entrenamiento de resistencia en adultos mayores también puede aumentar la capacidad mitocondrial(26)y los estudios han demostrado que la atrofia del músculo esquelético y la disfunción mitocondrial a menudo coexisten y pueden estar causalmente relacionadas(6). Además, el entrenamiento con ejercicio de resistencia puede reducir los marcadores de estrés oxidativo y aumentar la actividad enzimática antioxidante en adultos mayores(26), (27). El ejercicio de resistencia de por vida se asocia con un perfil de transcriptoma «más joven» en el músculo cardíaco de ratones endogámicos(28). Se ha demostrado que el entrenamiento con ejercicio de resistencia más tarde en la vida revertirá algunas de las alteraciones asociadas a la edad en la abundancia de ARNm de cadena de miosina(29). Aunque la fuerza y los beneficios funcionales del entrenamiento del ejercicio de resistencia son bien conocidos(24), (30), (31)no está claro si el entrenamiento altera las alteraciones asociadas a la edad en el perfil del transcriptoma de adultos mayores sanos.
Reportamos aquí que los adultos mayores sanos muestran un perfil de expresión génica en el músculo esquelético consistente con la disfunción mitocondrial y los procesos asociados como la muerte celular, en comparación con los individuos jóvenes. Además, después de un período de entrenamiento del ejercicio de resistencia en adultos mayores, encontramos que se invirtieron los cambios de expresión del transcriptoma asociados a la edad, lo que implica una restauración de un perfil de expresión juvenil.
Resultados
Primero preguntamos si había o no una expresión génica diferencial estadísticamente significativa en el músculo esquelético libre de enfermedad fisiológicamente normal entre individuos jóvenes y viejos (Tabla S1). Identificamos 596 genes que se expresaron estadísticamente significativamente diferencialmente utilizando una tasa de descubrimiento falso (FDR) del 5% entre los dos grupos de edad (Tabla S2).
A continuación, examinamos la regulación coordinada agrupando la lista de 596 genes expresados diferencialmente en el músculo esquelético envejecido sano. Para mostrar los grupos, utilizamos la matriz de distancia ordenada (donde los genes se ordenan por clúster y distancia dentro del clúster) devuelto por Hopach y colocamos los límites del clúster en esta matriz. Podemos mostrar la matriz no como números, sino como los colores, los genes que están juntos son un color «cálido» (rojo) y muy separados de un «frío» (azul verde). Aunque Hopach proporciona grupos jerárquicos, solo mostramos el primer nivel en esta matriz de distancia. El procedimiento devolvió 2 grupos principales de genes (en la primera división de los datos) asociados con la edad (Figura 1), y cada clúster podría dividirse aún más en dos subgrafuntas. El grupo 1 representa genes que aumentan en la expresión con la edad, mientras que el grupo 2 representa genes que disminuyen en la expresión con la edad. Figura 1B y 1C Muestra el medoid (el gen que más personifica el comportamiento del grupo) para los grupos uno y dos, mostrando una tendencia clara con la edad para los genes asociados con los grupos uno y dos. Para comprender mejor la respuesta transcripcional a la edad en el músculo esquelético normal, llevamos a cabo el análisis GO en los grupos y subclusters en los genes representados en Figura 1. No hay cambios significativos en la terminología de GO fueron comunes a todos los 290 genes en el grupo 1, o sus subclusters, a 5% FDR, lo que indica que no había un tema central en el nivel de ontología genética a los genes que aumentó en expresión con edad en relación con el tejido joven. Sin embargo, vale la pena señalar que se observó una regulación positiva estadísticamente significativa de una serie de genes involucrados en la reparación del ADN, el control del ciclo celular, la transcripción y la muerte celular, consistente con los informes anteriores de deterioro de estos procesos con edad avanzada (Tabla S2y (32)). En contraste, había una característica común para los 306 genes cuya abundancia transcripcional disminuyó con la edad (grupo 2): una asociación sorprendente con el metabolismo energético y la función mitocondrial (Tabla S3). Encontramos un enriquecimiento de 39 veces en los genes directamente relacionados con el metabolismo mitocondrial y el transporte de electrones a un FDR del 5%, lo que indica que la función mitocondrial disminuye notablemente con la edad a nivel transcripcional en el músculo esquelético de individuos fisiológicamente normales (Tabla S4). Ejemplos de genes que disminuyen con la edad en estas ontologías son el gen que codifica la subunidad beta de la succinil-CoA sintasa (SUCLA2(33)), los genes que codifican la subunidad C de la succinato deshidrogenasa (SDHC) y el gen de la bisagra reductasa de ubiquinol-citocromo c del complejo III III (34) (Figura S1). Luego preguntamos si los genes que se expresaron significativamente diferencialmente en el músculo esquelético envejecido saludable, también se expresaron diferencialmente en el músculo envejecido en otras partes del cuerpo. Analizamos datos recopilados de una variedad de músculos humanos de diversos orígenes clínicos, como se informó en Zahn et al.(19)para expresión diferencial con edad a un 5% FDR. No detectamos una expresión diferencial significativa con la edad en estos datos informados previamente, posiblemente debido a los diversos antecedentes clínicos de los individuos utilizados en ese estudio, y un FDR más estricto(19). Por lo tanto, no pudimos comparar la expresión génica relacionada con la edad en el músculo esquelético sano con el músculo informado por Zahn et al.(19).
Matriz de distancia ordenada usando el algoritmo de Hopach(53) de genes expresados significativamente diferencialmente en el músculo esquelético joven versus viejo (FWER <0.05). Las líneas en negrita rodean el primer nivel de agrupación, con las líneas menos en negrita que indican la agrupación secundaria. Verde a azul a púrpura está cerca de lejos. B) Perfil de expresión del gen medoide de un gen que ilustra el comportamiento de expresión del grupo 1. C) Expresión del gen medoide de un gen que ilustra el comportamiento de expresión del grupo 2.
También midimos la fuerza muscular máxima al determinar el torque máximo de extensión de la rodilla isométrica en la pierna derecha utilizando un dinamómetro (Biodex System 3, Biodex Medical Systems, Shirley, NY). Elegimos la extensión de la rodilla como la variable de resultado porque se correlaciona con los déficits de capacidad funcional(35)morbilidad(36)y mortalidad(37) en adultos mayores sarcopénicos. Descubrimos que la fuerza era 59% menor para las personas más antiguas en comparación con las personas más jóvenes (P <0.001, Figura 2), consistente con estudios previos. Sin embargo, tras el entrenamiento ejercicio regular, las personas mayores pudieron mejorar la fuerza muscular en aproximadamente un 50%, a niveles que eran solo un 38% menos que el de las personas jóvenes (Figura 2). Junto con este entrenamiento de fuerza, las personas mayores tenían biopsias musculares tomadas de la misma Vastus lateral El músculo (separado por ∼3 cm) tanto antes como después de seis meses de entrenamiento de fuerza, facilitando el análisis de los perfiles de expresión génica del músculo esquelético asociados con una mejora funcional en la fuerza en individuos normales. Determinamos qué genes se expresaron diferencialmente con la edad, después del entrenamiento con ejercicio, en relación con los jóvenes con un FDR del 5%, y encontramos una notable reversión del perfil de expresión de 179 genes asociados con la edad y el entrenamiento del ejercicio (Figura 3, Tabla S5). Para demostrar esto, utilizamos una gráfica de la distribución (densidades de núcleo suavizado) de log2 Relación de expresiones de antiguos (post-ejercicio) sobre jóvenes para dos conjuntos entre los genes envejecidos: aquellos que estaban significativamente relacionados con el ejercicio y los que no. Presumimos que aquellos relacionados con el ejercicio darían como resultado una expresión más similar a los jóvenes, por lo que la distribución de log2 Las relaciones deben centrarse alrededor de 0 (igual expresión) (Figura 3). Sin embargo, los genes no relacionados con el ejercicio aún deben tener una expresión diferencial con …
