The Effect of Long-Term Physical Disability and Aging on Extracellular Matrix Biogenesis in Human Skeletal Muscle

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Physical inactivity and aging cause significant impairments in the functionality and mechanical properties of skeletal muscles, as well as remodeling of the extracellular matrix (ECM). We aimed to study the effect of long-term inactivity and age on the biogenesis of ECM in skeletal muscle. For quantitative mass spectrometry-based proteomic analysis and RNA sequencing, biopsy samples were taken from m. vastus lateralis in 15 young healthy volunteers, 8 young and 37 elderly patients with long-term primary osteoarthritis of the knee/hip joint – which is a model for studying the effects of inactivity on muscles. We detected 1022 mRNAs and 101 ECM and associated proteins (matrisome). An increase in the expression of two dozen highly abundant matrisome proteins, specific to elderly and young patients (in relation to young healthy people), was detected; however, changes in the expression of mRNA encoding matrisome regulators (enzymatic regulators and secreted proteins) were similar. Comparison with previous proteomic and transcriptomic data showed that the changes in the matrisome that we described differed markedly from the changes caused by aerobic physical training in young healthy people, in particular, in the expression of the dominant ECM proteins and, especially, in the expression of mRNA of ECM enzymatic regulators and secreted proteins. Comparison of the changes in the expression profiles of these regulatory genes may be useful for identifying pharmacological targets for the prevention of adverse changes/activation of ECM biogenesis under various pathological conditions/physical training.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. S. Kurochkina

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Author for correspondence.
Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

E. M. Lednev

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Orlova

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

M. A. Vigovskiy

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

V. G. Zgoda

Institute of Biomedical Chemistry

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

N. E. Vavilov

Institute of Biomedical Chemistry

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

T. F. Vepkhvadze

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

P. A. Makhnovskii

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

O. A. Grigorieva

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

Y. R. Boroday

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

V. V. Philippov

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

M. Yu. Vyssokikh

Institute of Biomedical Problems of the RAS; Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology

Russian Federation, Moscow; Moscow

A. Yu. Efimenko

Lomonosov Moscow State University

Email: nadia_sk@mail.ru

Medical Research and Educational Center

Russian Federation, Moscow

D. V. Popov

Institute of Biomedical Problems of the RAS

Email: nadia_sk@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Kjaer M. Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading // Physiol. Rev. 2004. V. 84. № 2. P. 649.
  2. McKee T.J., Perlman G., Morris M.,Komarova S.V. Extracellular matrix composition of connective tissues: a systematic review and meta-analysis // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 10542
  3. Campisi J., Kapahi P., Lithgow G.J. et al. From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing // Nature. 2019. V. 571. № 7764. P. 183.
  4. Lopez-Otin C., Blasco M.A., Partridge L. et al. Hallmarks of aging: An expanding universe // Cell. 2023. V. 186. № 2. P. 243.
  5. Furrer R., Handschin C. Drugs, clocks and exercise in ageing: hype and hope, fact and fiction // J. Physiol. 2023. V. 601. № 11. P. 2057.
  6. Marcucci L., Reggiani C. Increase of resting muscle stiffness, a less considered component of age-related skeletal muscle impairment // Eur. J. Transl. Myol. 2020. V. 30. № 2. P. 8982.
  7. Pavan P., Monti E., Bondi M. et al. Alterations of extracellular matrix mechanical properties contribute to age-related functional impairment of human skeletal muscles // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 11. P. 3992.
  8. Wood L.K., Kayupov E., Gumucio J.P. et al. Intrinsic stiffness of extracellular matrix increases with age in skeletal muscles of mice // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 4. P. 363.
  9. Olson L.C., Redden J.T., Schwartz Z. et al. Advanced glycation end-products in skeletal muscle aging // Bioengineering (Basel). 2021. V. 8. № 11. P. 168.
  10. Fede C., Fan C., Pirri C. et al. The Effects of Aging on the Intramuscular Connective Tissue // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. № 19. P. 11061.
  11. Ubaida-Mohien C., Lyashkov A., Gonzalez-Freire M. et al. Discovery proteomics in aging human skeletal muscle finds change in spliceosome, immunity, proteostasis and mitochondria // Elife. 2019. V. 8. P. e49874.
  12. Nederveen J.P., Joanisse S., Thomas A.C.Q. et al. Age-related changes to the satellite cell niche are associated with reduced activation following exercise // FASEB. J. 2020. V. 34. № 7. P. 8975.
  13. Haus J.M., Carrithers J.A., Trappe S.W., Trappe T.A. Collagen, cross-linking, and advanced glycation end products in aging human skeletal muscle // J. Appl. Physiol. (1985). 2007. V. 103. № 6. P. 2068.
  14. Mavropalias G., Boppart M., Usher K.M. et al. Exercise builds the scaffold of life: muscle extracellular matrix biomarker responses to physical activity, inactivity, and aging // Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2023. V. 98. № 2. P. 481.
  15. Murgia M., Toniolo L., Nagaraj N. et al. Single muscle fiber proteomics reveals fiber-type-specific features of human muscle aging // Cell. Rep. 2017. V. 19. № 11. P. 2396.
  16. Kurochkina N.S., Orlova M.A., Vigovskiy M.A. et al. Age-related changes in human skeletal muscle transcriptome and proteome are more affected by chronic inflammation and physical inactivity than primary aging // Aging. Cell. 2024. № 4. P. e14098.
  17. Lofaro F.D., Cisterna B., Lacavalla M.A. et al. Age-related changes in the matrisome of the mouse skeletal muscle // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 19. P. 10564.
  18. Suetta C., Aagaard P., Magnusson S.P. et al. Muscle size, neuromuscular activation, and rapid force characteristics in elderly men and women: effects of unilateral long-term disuse due to hip-osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2007. V. 102. № 3. P. 942.
  19. Callahan D.M., Miller M.S., Sweeny A.P. et al. Muscle disuse alters skeletal muscle contractile function at the molecular and cellular levels in older adult humans in a sex-specific manner // J. Physiol. 2014. V. 592. № 20. P. 4555.
  20. Callahan D.M., Tourville T.W., Miller M.S. et al. Chronic disuse and skeletal muscle structure in older adults: sex-specific differences and relationships to contractile function // Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 2015. V. 308. № 11. P. 932.
  21. Miller M.S., Callahan D.M., Tourville T.W. et al. Moderate-intensity resistance exercise alters skeletal muscle molecular and cellular structure and function in inactive older adults with knee osteoarthritis // J. Appl. Physiol. 2017. V. 122. № 4. P. 775.
  22. Shao X., Taha I.N., Clauser K.R. et al. MatrisomeDB: the ECM-protein knowledge database // Nucleic. Acids. Res. 2020. V. 48. № D1. P. D1136.
  23. Lednev E.M., Lysenko E.A., Zgoda V.G. et al. Eight-week aerobic training activates extracellular matrix biogenesis in human skeletal muscle // Human Physiology. 2023. V. 49. № 2. P. 129.
  24. Ware J., Jr., Kosinski M., Keller S.D. A 12-Item Short-Form Health Survey: construction of scales and preliminary tests of reliability and validity // Med. Care. 1996. V. 34. № 3. P. 220.
  25. Popov D.V., Vinogradova O.L., Zgoda V.G. Preparation of human skeletal muscle samples for proteomic analysis with isobaric iTRAQ labels // Mol. Biol. 2019. V. 53. № 4. P. 606.
  26. Mays P.K., McAnulty R.J., Campa J.S., Laurent G.J. Age-related changes in collagen synthesis and degradation in rat tissues. Importance of degradation of newly synthesized collagen in regulating collagen production // Biochem. J. 1991. V. 276. № 2. P. 307.
  27. Kanazawa Y., Ikegami K., Sujino M. et al. Effects of aging on basement membrane of the soleus muscle during recovery following disuse atrophy in rats // Exp. Gerontol. 2017. V. 98. P. 153.
  28. Kovanen V., Suominen H., Risteli J., Risteli L. Type IV collagen and laminin in slow and fast skeletal muscle in rats--effects of age and life-time endurance training // Coll. Relat. Res. 1988. V. 8. № 2. P. 145.
  29. Thot G.K., Berwanger C., Mulder E. et al. Effects of long-term immobilisation on endomysium of the soleus muscle in humans // Exp. Physiol. 2021. V. 106. № 10. P. 2038.
  30. Gonzalez M.N., de Mello W., Butler-Browne G.S. et al. HGF potentiates extracellular matrix-driven migration of human myoblasts: involvement of matrix metalloproteinases and MAPK/ERK pathway // Skelet. Muscle. 2017. V. 7. № 1. P. 20.
  31. Karalaki M., Fili S., Philippou A., Koutsilieris M. Muscle regeneration: cellular and molecular events // In Vivo. 2009. V. 23. № 5. P. 779.
  32. Heinemeier K.M., Mackey A.L., Doessing S. et al. GH/IGF-I axis and matrix adaptation of the musculotendinous tissue to exercise in humans // Scand. J. Med. Sci. Sports. 2012. V. 22. № 4. P. e1.
  33. Torrente Y., Bella P., Tripodi L. et al. Role of insulin-like growth factor receptor 2 across muscle homeostasis: Implications for treating muscular dystrophy // Cells. 2020. V. 9. № 2. P. 441.
  34. Ikutomo M., Sakakima H., Matsuda F., Yoshida Y. Midkine-deficient mice delayed degeneration and regeneration after skeletal muscle injury // Acta. Histochem. 2014. V. 116. № 2. P. 319.
  35. Jones J.C., Kroscher K.A., Dilger A.C. Reductions in expression of growth regulating genes in skeletal muscle with age in wild type and myostatin null mice // BMC. Physiol. 2014. V. 14. P. 3.
  36. Duffy F.J., Jr., Seiler J.G., Gelberman R.H., Hergrueter C.A. Growth factors and canine flexor tendon healing: initial studies in uninjured and repair models // J. Hand. Surg. Am. 1995. V. 20. № 4. P. 645.
  37. Chen C.P., Yang Y.C., Su T.H. et al. Hypoxia and transforming growth factor-beta 1 act independently to increase extracellular matrix production by placental fibroblasts // J. Clin. Endocrinol. Metab. 2005. V. 90. № 2. P. 1083.
  38. Arai K.Y., Nishiyama T. Developmental changes in extracellular matrix messenger RNAs in the mouse placenta during the second half of pregnancy: possible factors involved in the regulation of placental extracellular matrix expression // Biol. Reprod. 2007. V. 77. № 6. P. 923.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Chronic physical inactivity in older (OP vs YH) and younger adults (YP vs YH) results in partially overlapping changes in mRNA (padj < 0.01) and protein (padj < 0.05) expression of the matrisome in the vastus lateralis muscle. The amounts of common and unique mRNAs (A and B) and proteins (B) are shown in the overlapping and non-overlapping areas of the diagrams. Potential protein-protein interactions are shown as lines; line thickness is proportional to the relevance of the interaction.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Changes in the mRNA expression profile of secreted factors (A) and enzymatic regulators of the ECM (B) in the vastus lateralis muscle during chronic physical inactivity in older (OP vs YH) and younger adults (YP vs YH) and after 2 months of aerobic training. Only significant changes (padj < 0.01) are presented as log2.

Download (590KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in expression of genes encoding mRNA (padj < 0.01) and proteins (padj < 0.05) of the matrisome in m. vastus lateralis after 2 months of aerobic training are significantly different from changes induced by chronic physical inactivity in elderly (OP vs YH) and young adults (YP vs YH). The number of common and unique mRNAs (A and B) and proteins (B) is shown in overlapping and non-overlapping areas of the diagrams. Potential protein-protein interactions are shown as lines; line thickness is proportional to the relevance of the interaction.

Download (1023KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».