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Dissertation: Stephanie-Christina Mosler


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Dissertation: Stephanie-Christina Mosler

Dissertation / Doktorarbeit / Thesis

Deutsche Sporthochschule Köln
Institut für Kreislaufforschung und Sportmedizin / Abteilung für Molekulare und Zelluläre Sportmedizin
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Mosler, Stephanie-Christina (2013): Modulation of myostatin signaling in response to training and anabolic manipulations Zusammenfassung:
Zusammenfassung:
Der Muskelwachstumsfaktor Myostatin ist ein negativer Regulator des Muskelwachstums. Das Ausschalten seiner Genexpression, aufgrund natürlicher Mutationen oder genetischer Manipulationen, führt zu einer deutlichen Zunahme der Muskelmasse, zu einer Reduktion des Körperfetts sowie zu einer verbesserten Insulinsensitivität. Die Beeinflussung des Myostatinsignalwegs mit dem Ziel, das Muskelwachstum zu steigern und den Körperfettgehalt zu reduzieren, scheint eine vielversprechende Methode zur Behandlung von Muskelerkrankungen und typischen Zivilisationskrankheiten wie Typ II Diabetes oder Adipositas zu sein. Allerdings könnten entsprechende Strategien auch die Muskelmasse gesunder Individuen steigern, wodurch derartige Maßnahmen zukünftig auch von Athleten für Dopingzwecke missbraucht werden könnten. Folglich stehen Anti-Doping-Forscher vor der Herausforderung, neue Strategien zur Detektion von Manipulationen am Myostatinsignalweg zu entwickeln. Für die Entwicklung indirekter Nachweisverfahren ist es entscheidend, natürliche Anpassungen im Körper von Athleten von unnatürlichen, durch Dopingmittel hervorgerufene Veränderungen zu differenzieren. Daher liegt der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit in der Untersuchung des Myostatinsignalwegs unter dem Einfluss von Training, endogenen Hormonen, Geschlecht, anabolen Steroiden und pharmakologischen Myostatininhibitoren. Die durchgeführten Experimente verfolgten das Ziel, Manipulationen am Myostatinsignalweg zu detektieren. Eine angewandte Strategie war hierbei die Bestimmung verschiedener Proteine im Blut, die in der Regulation der physiologischen Aktivität von Myostatin involviert sind.
Ein interessanter Befund dieser Arbeit ist der Nachweis, dass Follistatin (FOLLI) und Myostatin Propeptid (MYOPRO), Proteine die die Aktivität von Myostatin vermindern, geschlechtsspezifisch reguliert werden. Im Zuge der Experimente wurde nachgewiesen, dass Frauen höhere FOLLI und niedrigere MYOPRO-Serumkonzentrationen im Vergleich zu Männern aufweisen. Es wurde gezeigt, dass die Konzentrationen dieser Proteine über einen längeren Zeitraum stabil bleiben und auch im Verlauf des weiblichen Menstruationszyklusses nicht signifikant verändert werden. Desweiteren deuten die Untersuchungen darauf hin, dass die beiden Proteine durch die Einnahme von anabolen Steroiden reguliert werden können. Das durchgeführte Krafttraining bewirkte dagegen keine signifikanten Veränderungen in der FOLLI oder MYOPRO-Konzentration. In einem Trainingsmodell mit intakten Ratten wurde gezeigt, dass die endogenen Testosteron- und LH-Konzentrationen durch eine subkutane Verabreicherung des anabolen Steroids Metandienon gesenkt werden. Für zukünftige Untersuchungen könnte daher die Analyse dieser beiden Hormone in Betracht gezogen werden, um einen indirekten Nachweis von anabolen Steroiden zu gewährleisten.
Ein weiterer Themenbereich dieser Arbeit befasst sich mit der Frage, inwieweit eine Myostatinhemmung mittels RNA Interferenz (RNAi) die Skelettmuskeladaptation sowie den Lipid- und Glukosestoffwechsel beeinflusst. Die im Rahmen eines Tierexperiments gewonnenen Daten zeigen, dass die transiente Genrepression von Myostatin mittels siRNA bei Mäusen zu Muskelhypertrophie führt, die möglicherweise auf eine Aktivierung von Satellitenzellen zurückzuführen ist. Es wurde beobachtet, dass die mRNA-Expression der Satellitenzellenmarker Pax-7 und MyoD nach Myostatinhemmung signifikant erhöht ist. Desweiteren wurde bei den siRNA behandelten Mäusen nachgewiesen, dass diese weniger viszerales Körperfett, niedrigere Leptinkonzentrationen, verbesserte Serumlipidspiegel und eine Veränderung in der Genexpression verschiedener Peroxisom-Proliferator-aktivierter Rezeptoren (PPARs) im Gastrocnemiusmuskel und in der Leber aufweisen. Diese Erkenntnisse machen deutlich, dass eine Myostatinhemmung mittels siRNA nicht nur einen wesentlichen Einfluss auf das Muskelwachstum, sondern auch auf den Lipid- und Glukosestoffwechsel haben kann. Damit bestätigen die Ergebnisse der Studie, dass die Modulation des Myostatinsignalwegs mittels RNAi zukünftig eine potentielle Strategie zum Missbrauch für Dopingzwecke werden könnte, wodurch die Notwendigkeit der Etablierung indirekter Dopingnachweisverfahren bestärkt wird. Im Hinblick auf die Dopingprävention deuten die erhobenen Daten darauf hin, dass die Analyse der Serumkonzentration des Fettgewebshormons Leptin eine geeignete Strategie zum indirekten Nachweis von Myostatinmanipulationen sein könnte. Neben der Bestimmung verschiedener Proteine im Blut, die sich für die Dopinganalytik als relevant herausgestellt haben, deuten die Ergebnisse der Studie darauf hin, dass eine Myostatinhemmung mittels RNAi für therapeutische Zwecke von Bedeutung sein könnte.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Identifizierung eines löslichen Activin IIB Rezeptors (ACTIIB), dessen Konzentration durch Myostatin Knockout, Myostatinhemmung, Geschlecht und der Verabreichung anaboler Steroide beeinflusst wird. Die Konzentration der löslichen Rezeptorform wurde sowohl nach Myostatin Knockout als auch Myostatin Knockdown durch siRNA erhöht. Damit könnten sich Manipulationen am Myostatinsignalweg über die Bestimmung von ACTIIB im Serum detektieren lassen.
Die vorliegende Arbeit gewährt neue Einblicke in die Regulation des Myostatinsignalwegs als Antwort auf Trainingsreize, endogene und exogene Hormone sowie Myostatinhemmung. Im Zuge der Experimente konnte gezeigt werden, dass sich anhand der Bestimmung verschiedener Proteine im Blut, die in der Regulation der physiologischen Aktivität von Myostatin involviert sind, der Nachweis von anabolen Steroiden und Myostatininhibitoren realisieren lässt. Damit konnte ein wertvoller Beitrag für die zukünftige Etablierung eines indirekten Nachweisverfahrens zur Detektion von Manipulationen am Myostatinsignalweg geleistet werden. Nicht zuletzt ergeben sich aus den gewonnenen Erkenntnissen auch neue potentielle Therapieansätze zur Behandlung von Muskelerkrankungen und Typ II Diabetes oder Adipositas.

Abstract:
The muscle growth factor myostatin is a negative regulator of muscle growth. The knockout of its gene, as a result of natural mutations or genetic manipulations, results in a distinct increase of skeletal muscle mass, reduced adiposity and increased insulin sensitivity. Modulation of the myostatin signaling pathway with the attempt to increase skeletal muscle growth, and to reduce body fat content, is a promising strategy for the treatment of muscle disorders and also typical western diseases such as type II diabetes and obesity. However, such treatments could also be advantageous to increase muscle mass in healthy individuals and might be misused for doping purposes in athletes. As a result, this raises the need for anti-doping research to develop new strategies for the detection of manipulations at myostatin signaling. To enable the identification of illicit doping misuse, first of all, it is necessary to have detailed knowledge on myostatin regulation under physiological conditions. Therefore, the subject matter of this work is the investigation of myostatin signaling in response to training, endogenous hormones, gender, anabolic steroids and pharmacological myostatin inhibition. The priority objective of the conducted experiments was the detection of manipulations at the myostatin signaling pathway. Therefore, an applied strategy was the monitoring of proteins in blood, which are involved in the regulation of the physiological activity of myostatin.
An interesting finding of this work is the detection of gender differences in the regulation of the myostatin-inhibiting proteins follistatin (FOLLI) and myostatin propeptide (MYOPRO). In the context of the experiments, women showed higher FOLLI and lower MYOPRO serum levels than men. Further, the concentrations of these proteins are stable during a longer period of time and are also not significantly different regulated during the menstrual cycle phases. The obtained data indicate that FOLLI and MYOPRO may be regulated by anabolic steroids, but not by training. In a training model with intact rats it was observed that the concentrations of endogenous secreted testosterone and LH are decreased after subcutaneous application of the anabolic steroid methandienone. Therefore, the analysis of these hormones should be considered as a process to confirm the indirect detection of anabolic steroids.
A further question addressed in this work is whether myostatin inhibition by RNA interference (RNAi) affects skeletal muscle adaptation, lipid and glucose metabolism. Data obtained from an animal experiment revealed that myostatin inhibition by siRNA results in skeletal muscle hypertrophy in mice; probably caused by the activation of satellite cells. The mRNA expression of the satellite cell markers PAX-7 and MyoD were significantly increased after myostatin inhibition. In mice treated with siRNA, lower visceral body fat content and leptin concentrations, improved serum lipid levels and a modulation in gene expression of peroxisome proliferator activated receptors (PPARs) in gastrocnemius muscle and liver were observed. These findings indicate that myostatin inhibition by siRNA has a considerable impact not only on skeletal muscle growth but also on lipid metabolism and markers for insulin sensitivity. Therefore, the results obtained from the study suggest that the modulation of myostatin signaling by RNAi might be a potential doping strategy. These findings highlight the need for appropriate indirect doping detection systems. With respect to the anti-doping research, the data suggest that the adipose tissue-derived hormone leptin might be an additional useful serum marker for the identification of manipulations at myostatin signaling. Besides the identification of new serum markers for doping analysis, the results obtained from this study indicate that myostatin-targeting siRNA might be relevant for therapeutic purposes.
Another key finding of this work is the identification of a soluble form of the myostatin receptor activin type IIB (ACTIIB), which is modulated by myostatin knockout, myostatin inhibition, gender and anabolic steroid application. This soluble receptor form showed higher serum concentrations after myostatin knockout and also myostatin siRNA treatment. Therefore, manipulations at myostatin signaling might be detectable by serum analysis of ACTIIB.

Conclusively, the work presented here provides new insights into the regulation of myostatin in response to training, gender, endogenous and exogenous hormones as well as myostatin inhibition. The data obtained from the experiments suggest that monitoring proteins that are involved in the regulation of myostatin activity might be an appropriate strategy for the detection of anabolic steroids and myostatin inhibitors. Therefore, a substantial contribution for future establishment of an indirect test system for the detection of manipulations at myostatin signaling could be made. Furthermore, the findings provide new potential therapeutic approaches for the treatment of muscle diseases and type II diabetes or obesity.


18.12.2017 - 03:15