Maintenance of Type 2 Glycolytic Myofiber with age via Mib1-Actn3 axis

Abstract

Skeletal muscle accounts for 40 % of body weight and plays fundamental roles in locomotion, energy reservoir, and maintenance of whole-body homeostasis and health. However, with age, the skeletal muscle undergoes progressive changes involving alteration of skeletal muscle homeostasis and plasticity. This debilitating feature of aging is age-associated muscle atrophy, also known as sarcopenia. Sarcopenia is a multifactorial disease and a debilitating condition associated with loss of muscle mass and function with age that contributes to limitation of mobility and locomotion. However, the underlying mechanisms of how intrinsic muscle changesith age are largely unknown. The myofibers are classified into slow-twitch (type 1) and fast-twitch (type 2) myofibers. The components and characteristics of myofibers mediate their susceptibility or resistance to physiological and pathological changes in skeletal muscle. In sarcopenia, there are selective alteration of numbers and size of type 2 glycolytic myofibers. Although recent studies have reported some mechanisms associated with preferential atrophy of type 2 glycolytic myofiber with age, it remains largely unclear why type 2 glycolytic myofibers are affected with age. Mind Bomb-1 (Mib1) is a well-known E3 ubiquitin ligase implicated in Notch signaling. Mib1 is essential in the activation of Notch signaling. In skeletal muscle, Mib1 plays an essential role in the establishment of a reserve pool of adult muscle stem cells via Notch signaling. Albeit Mib1 is highly expressed in skeletal muscle and has putative binding partners besides Notch signaling, the Notch-independent role of Mib1 in skeletal muscle is largely unknown. Herein I report that, with age, Mib1 plays important role in skeletal muscle maintenance. The disruption of Mib1 in myofibers (Mib1ΔMF) results in the alteration of type 2 glycolytic myofibers, muscle atrophy, impaired muscle function, and abnormal characteristics in skeletal muscle accompanying aging. Mechanistic analyses revealed that Mib1 binds to and regulates -actinin 3 (Actn3) via proteasomal degradation-dependent degradation pathway. After chronic exercise, Mib1ΔMF mice showed muscle atrophy even at a young age. In Mib1-deficient skeletal muscles, Actn3 was accumulated with age or after chronic moderate exercise. However, when Actn3 level was downregulated, chronic exercise-induced muscle atrophy was ameliorated. Importantly, the Mib1 and Actn3 levels showed clinical relevance in human skeletal muscles accompanied by a decrease in skeletal muscle function with age. Together, these findings revealed the significance of the Mib1-Actn3 axis in skeletal muscle maintenance with age and suggest the therapeutic potential for the treatment or amelioration of age-related muscle atrophy.

골격근은 체중의 40% 를 차지하며 운동, 에너지 저장소, 전신 항상성 및 건강 유지에 중요한 역할을 한다. 하지만 나이가 들면서 골격근은 항상성과 가소성의 변화를 동반한 점진적인 변화를 겪는다. 특히 노화의 가장 큰 특징으로는 노인성 근감소증을 들 수 있다. 노인성 근감소증은 다인성 질환으로, 노화에 따른 근육량과 근기능이 감소가 되면서 운동성 및 이동성 그리고 일상생활 기능의 저하가 발생하게 된다. 하지만, 노인성 근감소증을 일어나면서 어떠한 메커니즘으로 인해 근육의 내인성 변화가 일어나는지에 대해서는 아직까지 잘 밝혀져 있지 않다. 근섬유는 느린 연축 섬유 (제 1형 근육 섬유)와 빠른 연축 섬유 (제 2형 근육 섬유)로 이루어져 있다. 근섬유의 구성과 특성은 골격근의 생리적 및 병리학적 변화에 대한 근섬유의 민감성 또는 저항성을 조절한다. 노인성 근감소증은 제 2형 해당성 근육섬유 특이적으로 개수와 근단면적 크기를 감소시킨다. 최근 연구들에 의해 선택적으로 일어나는 제 2형 해당성 근육섬유의 위축증에 대한 연구와 그 기전들이 보고된바가 있지만, 아직까지도 노화에 따른 제 2형 해당성 근육섬유의 선택적 위축증에 대해서는 잘 밝혀져 있지 않다. Mind Bomb-1 (Mib1)은 E3 유비퀴틴 라이게이즈로 Notch 신호 기작의 활성화에 중요한 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있다. 골격근에서는 Mib1이 Notch 신호 기작을 통해 성체 근육 줄기세포 군집을 형성하고 일생동안 유지하는데 중요한 역할을 한다고 알려져있다. Mib1은 골격근에서 발현이 높으며 Notch 신호 기작 외의 다른 결합할 수 있는 단백질들이 있다고 추정되지만, 골격근에서 Notch 신호 기작을 제외한 Mib1의 독립적인 기능은 아직까지 알려져있지 않다. 본 연구에서는 노화 과정에서 Mib1이 골격근에 중요한 역할을 하는 것을 밝혔다. 근섬유 특이적으로 Mib1을 적중시킨 마우스 모델을 분석한 결과 노화에 따른 제 2형 해당성 근육섬유의 변화, 근위축증, 근기능 저하, 그리고 병리학적인 변화가 보이는 것을 확인했다. 메커니즘 분석을 통해 Mib1이 -Actinin (Actn3)와 결합하고, 프로테아좀 단백질 분해 경로를 통해 Actn3를 조절한다는 것을 밝혔다. 또한 지속적인 운동을 통해 근섬유 적중 Mib1 결손 마우스에서 노화가 발생되지 않는 성체시기에서도 근위축증이 발생된다는 것을 발견했다. Mib1이 적중된 골격근에서는 나이가 들어가거나 지속적인 운동에 의해 Actn3가 축적되는 것을 발견했다. Actn3가 축적되는 것을 막기 위해 Actn3 발현 정도를 하향 조절시키는 경우, 지속적인 운동에 의해 유도된 근위축증이 개선되는 것을 확인하였다. 무엇보다도 Mib1과 Actn3 발현 레벨 패턴이 임상적 관련성을 보여주는 연구를 통해, 골격근에서 Mib1-Actn3 축의 중요성을 밝혔다. 결론적으로, 본 연구는 Mib1-Actn3 축이 노화에 따른 골격근을 유지시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔으며, 더 나아가 노인성 근감소증을 완화 또는 치료하기 위한 치료제로서 큰 가능성을 보인다는 것을 보여준다.