Signaling effects of alpha-ketoglutarate precursor administration in rat soleus muscle during 7-day mechanical unloading

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

In conditions of insufficient muscle activity (during functional unloading), a number of pathological processes are observed that lead to a deterioration in muscle function. Some of these processes are based on changes in gene expression, leading to the transformation of muscle fibers from the "slow" type, which is fatigue-resistant and has predominantly oxidative type of metabolism, to the "fast" type, which has glycolytic metabolism and is quickly fatigued. The mechanisms of changes in gene expression in muscle fibers under conditions of functional unloading have not been sufficiently studied. In particular, the role of methylation of CpG sequences in promoter regions of genes in the regulation of gene expression that mediate the “slow” or “fast” phenotype of muscle fibers has been virtually unexplored. We assume that a decrease in the expression of several genes regulating mitochondrial biogenesis and the phenotype of muscle fibers under conditions of muscle unloading can be determined by a deficiency of alpha-ketoglutarate (a coenzyme of TET translocases that demethylate CpG islands). To test this assumption, male Wistar rats were divided into three groups of 8 animals in each: (1) group C, vivarium control with daily intraperitoneal administration of placebo (saline); (2) group 7HS, 7-day hind limb suspension with daily intraperitoneal administration of placebo; (3) group 7HSD, 7-day hind limb suspension with daily intraperitoneal administration of 200 mg/kg dimethyl-2-ketoglutarate (alpha-ketoglutarate precursor). The analysis of the experimental data obtained has shown that administration of dimethyl-2-ketoglutarate to the hind limb suspended animals partially prevents the decline expression of mRNA regulators of mitochondrial biogenesis and mitochondrial DNA content. This effect may be mediated by the drug's effect on еру CpG methylation. However, in the 7HSD group there was also an upregulation of AMP-activated protein kinase phosphorylation levels compared to the 7HS and C groups, which may explain the effect of dimethyl-2-ketoglutarate on the expression of regulators of mitochondrial mRNA biogenesis and mitochondrial DNA content during rat hindlimb suspension.

About the authors

K. A. Sharlo

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

D. A. Sidorenko

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

R. O. Bokov

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

G. V. Galkin

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

I. D. Lvova

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

A. A. Kulishenko

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

B. S. Shenkman

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: sharlokris@gmail.com
Moscow, 123007 Russia

References

  1. Shenkman B.S. 2020. How postural muscle senses disuse. Early signs and signals. Int. J. Mol. Sci. 21 (14), 5037. https://doi.org/10.3390/ijms21145037
  2. Schiaffino S., Reggiani C. 2011. Fiber types in mammalian skeletal muscles. Physiol. Rev. 91 (4), 1447–1531. https://doi.org/10.1152/physrev.00031.2010
  3. Begue G., Raue U., Jemiolo B., Trappe S. 2017. DNA methylation assessment from human slow- and fast-twitch skeletal muscle fibers. J. Appl. Physiol. (1985) 122 (4), 952–967. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00867.2016
  4. Wen Y., Dungan C.M., Mobley C.B., Valentino T., Von Walden F., Murach K.A. 2021. Nucleus type-specific DNA methylomics reveals epigenetic "Memory" of prior adaptation in skeletal muscle. Function (Oxf) 2 (5), zqab038. https://doi.org/10.1093/function/zqab038
  5. Baar K. 2010. Epigenetic control of skeletal muscle fibre type. Acta. Physiol. (Oxf) 199 (4), 477–487. https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.2010.02121.
  6. Tomiga Y., Ito A., Sudo M., Ando S., Eshima H., Sakai K., Nakashima S., Uehara Y., Tanaka H., Soejima H., Higaki Y. 2019. One week, but not 12 hours, of cast immobilization alters promotor DNA methylation patterns in the nNOS gene in mouse skeletal muscle. J. Physiol. 597 (21), 5145-5159. https://doi.org/10.1113/JP277019
  7. Alibegovic A.C., Sonne M.P., Hojbjerre L., Bork-Jensen J., Jacobsen S., Nilsson E., Faerch K., Hiscock N., Mortensen B., Friedrichsen M., Stallknecht B., Dela F., Vaag A. 2010. Insulin resistance induced by physical inactivity is associated with multiple transcriptional changes in skeletal muscle in young men. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 299 (5), E752–763. https://doi.org/10.1152/ajpendo.00590.2009
  8. Sharlo K.A., Vilchinskaya N.A., Tyganov S.A., Turtikova O.V., Lvova I.D., Sergeeva K.V., Rukavishnikov I.V., Shenkman B.S., Tomilovskaya E.S., Orlov O.I. 2023. 6-day Dry Immersion leads to downregulation of slow-fiber type and mitochondria-related genes expression. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 325 (6), E734–743. https://doi.org/10.1152/ajpendo.00284.2023
  9. Zhang X., Trevino M.B., Wang M., Gardell S.J., Ayala J.E., Han X., Kelly D.P., Goodpaster B.H., Vega R.B., Coen P.M. 2018. Impaired mitochondrial energetics characterize poor early recovery of muscle mass following hind limb unloading in old mice. J. Gerontol. A. Biol. Sci. Med. Sci. 73 (10), 1313–1322. https://doi.org/10.1093/gerona/gly051
  10. Hou P., Kuo C.Y., Cheng C.T., Liou J.P., Ann D.K., Chen Q. 2014. Intermediary metabolite precursor dimethyl-2-ketoglutarate stabilizes hypoxia-inducible factor-1alpha by inhibiting prolyl-4-hydroxylase PHD2. PLoS One 9 (11), e113865. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0113865
  11. Morey-Holton E., Globus R.K., Kaplansky A., Durnova G. 2005. The hindlimb unloading rat model: Literature overview, technique update and comparison with space flight data. Adv. Space. Biol. Med. 10, 7–40. https://doi.org/10.1016/s1569-2574(05)10002-1
  12. Pfaffl M.W. 2001. A new mathematical model for relative quantification in real-time RT-PCR. Nucleic Acids Res. 29 (9), e45. https://doi.org/10.1093/nar/29.9.e45
  13. Lomonosova Y.N., Turtikova O.V., Shenkman B.S. 2016. Reduced expression of MyHC slow isoform in rat soleus during unloading is accompanied by alterations of endogenous inhibitors of calcineurin/NFAT signaling pathway. J. Muscle Res. Cell Motil. 37 (1–2), 7–16. https://doi.org/10.1007/s10974-015-9428-y
  14. Shenkman B.S. 2016. From slow to fast: Hypogravity-induced remodeling of muscle fiber myosin phenotype. Acta Naturae. 8 (4), 47–59.
  15. Theilen N.T., Jeremic N., Weber G.J., Tyagi S.C. 2018. Exercise preconditioning diminishes skeletal muscle atrophy after hindlimb suspension in mice. J. Appl. Physiol. 125 (4), 999–1010. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00137.2018
  16. Cai X., Yuan Y., Liao Z., Xing K., Zhu C., Xu Y., Yu L., Wang L., Wang S., Zhu X., Gao P., Zhang Y., Jiang Q., Xu P., Shu G. 2018. alpha-Ketoglutarate prevents skeletal muscle protein degradation and muscle atrophy through PHD3/ADRB2 pathway. FASEB J. 32 (1), 488–499. https://doi.org/10.1096/fj.201700670R
  17. Canto C., Auwerx J. 2009. PGC-1alpha, SIRT1 and AMPK, an energy sensing network that controls energy expenditure. Curr. Opin. Lipidol. 20 (2), 98–105. https://doi.org/10.1097/MOL.0b013e328328d0a4
  18. Sharlo K.A., Paramonova I.I., Lvova I.D., Vilchinskaya N.A., Bugrova A.E., Shevchenko T.F., Kalamkarov G.R., Shenkman B.S. 2020. NO-Dependent mechanisms of myosin heavy chain transcription regulation in rat soleus muscle after 7-days hindlimb unloading. Front. Physiol. 11, 814. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.00814
  19. Su Y., Wang T., Wu N., Li D., Fan X., Xu Z., Mishra S.K., Yang M. 2019. Alpha-ketoglutarate extends Drosophila lifespan by inhibiting mTOR and activating AMPK. Aging (Albany NY) 11 (12), 4183–4197. https://doi.org/10.18632/aging.102045
  20. Allen D.L., Sartorius C.A., Sycuro L.K., Leinwand L.A. 2001. Different pathways regulate expression of the skeletal myosin heavy chain genes. J. Biol. Chem. 276 (47), 43524–43533. https://doi.org/10.1074/jbc.M108017200
  21. Williamson D.L., Butler D.C., Alway S.E. 2009. AMPK inhibits myoblast differentiation through a PGC-1alpha-dependent mechanism. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 297 (2), E304–E314. https://doi.org/10.1152/ajpendo.91007.2008

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 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».