Mitochondrial endocrinology Mitochondria as key to hormones and metabolism


Download 2.44 Mb.
Pdf ko'rish
bet10/23
Sana01.10.2017
Hajmi2.44 Mb.
#16915
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   23

mitochondria are responsible for improvements in blood glucose

levels in diabetic subjects after that type of intervention, that study

also reported a relationship between changes in SkM mitochondria

and hyperglycemia as measured by HbA1c. In line with this obser-

vation, Fritz et al. reported that skeletal muscle adaptations of in-

creased oxidative gene expression induced by low-intensity

exercise are a correlate of systemic metabolic improvements in

type 2 diabetes, including insulin sensitivity (

Fritz et al., 2006

).

While causality is difficult to establish with those types of observa-



tions, those studies reveal a still poorly-understood relationship

between mitochondria in SkM and systemic metabolism.

The aforementioned studies have collectively demonstrated

that in IR mitochondria are not irreversibly impaired, and that at

least partial amelioration of this abnormality can be achieved by

lifestyle modifications that are typically recommended to adults

with IR. However, it is also important to consider that both dietary

caloric restriction and exercise are stimuli for a negative caloric

balance and that while weight loss may reduce IMCL lipid content,

chronic exercise increases it (

Dube et al., 2008; Goodpaster et al.,

2001; Pruchnic et al., 2004

). Therefore, it is important to consider

whether weight loss and exercise training have independent ef-

fects upon mitochondrial plasticity.

3.2. Separate effects of weight loss and exercise on mitochondria

In normal healthy SkM, exercise training is a potent stimulus for

mitochondrial biogenesis. Therefore, it stands to reason that exer-

cise training may be the key factor necessary for stimulating mito-

chondrial biogenesis in IR. On the other hand, the distinct

possibility that mitochondrial dysfunction may be secondary to ex-

cess lipid accumulation in SkM has also been proposed and thus

weight loss per se might also conceivably influence mitochondrial

dysfunction. In a study that compared the relative contribution of

exercise training versus that of weight loss, overweight and obese

subjects with insulin resistance were randomized to either diet-in-

duced weight loss, or diet-induced weight loss combined with

exercise training (

Toledo et al., 2008

). Both groups experienced

comparable degrees of total body weight loss, fat mass loss, and

comparable improvements in SkM insulin sensitivity. However,

only the group that combined training with caloric restriction

experienced an improvement in mitochondrial content and respi-

ratory chain enzymatic activity, demonstrating that exercise train-

ing, not weight loss, is the key factor responsible for mitochondrial

plasticity. Subsequent studies have confirmed that exercise train-

ing can increase SkM mitochondrial content in insulin-resistant

subjects with and without T2DM (

Meex et al., 2010; Phielix

et al., 2010

).

Although it has now been well established that exercise train-



ing per se improves mitochondrial content in IR, it is less clear

whether intrinsic mitochondrial function improves too. In studies

from our group, exercise training for 16–20 weeks resulted in en-

hanced electron transport chain activity that exceeded changes in

mitochondrial mtDNA content and citrate synthase activity, sug-

gesting that training results in improvements in total oxidative

capacity that exceed that expected from an increase in mitochon-

drial content alone (

Toledo et al., 2007; Menshikova et al., 2005;

Toledo et al., 2008

). However, at least one study concluded that

intrinsic function per mitochondrion does not improve with train-

ing: subjects with T2DM and BMI-matched control individuals

enrolled in a 12-week exercise program and mitochondrial func-

tion was assessed by high-resolution respirometry in permeabili-

zed muscle fibers (

Phielix et al., 2010

). When mitochondrial

respiratory rates were adjusted for mtDNA content, no improve-

ments in mitochondrial function after exercise training were ob-

served. However, compared to earlier studies (

Toledo et al.,

2006; Toledo et al., 2007; Menshikova et al., 2005; Toledo et al.,

2008


), this study had a relative shorter duration of training

(12 weeks versus 16–20 weeks), a lower exercise training dose,

and included a combination of aerobic and resistance exercise.

It is likely that a certain threshold of duration of aerobic training,

exercise frequency and intensity, or a combination of these, must

be achieved in order to enhance intrinsic mitochondrial function,

and may explain differences in the training response among stud-

ies. Therefore, a conservative interpretation of the current studies

published so far is that intrinsic mitochondrial function does not

always improve, but may do so in certain circumstances depend-

ing on the type and duration of training, and the frequency and

intensity of exercise bouts. Clearly, more research is needed in

this field in order to establish what the minimum exercise train-

ing prescription should be in order to achieve enhancement of

intrinsic mitochondrial function.

The effects of weight loss in improving obesity-related insulin

resistance are well established, but less is known about the impact

of weight loss on SkM mitochondria. This relatively paucity of data

is not surprising since mitochondrial abnormalities in obesity/IR

have only been appreciated relatively recently. The majority of

32

F.G.S. Toledo, B.H. Goodpaster / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 30–34



studies published so far show that weight loss by dietary caloric

restriction does not reverse the lower mitochondrial capacity ob-

served in IR, including in response to degrees of weight loss

deemed clinically significant for glucose and lipid metabolism. In

an older study, Kern et al. suggested an increase in succinate dehy-

drogenase (SDH) activity in SkM of obese women who had under-

gone moderate weight loss (

Kern et al., 1999

). However, it is not

entirely clear if the SDH activity increased in response to concom-

itant changes in physical activity since the study did not control for

physical activity and no objective metric of aerobic capacity was

reported. Simoneau et al. studied muscle biopsy samples from ob-

ese volunteers who experienced significant weight loss (14–16% of

baseline weight) and observed no improvements in enzymatic

markers of mitochondria, namely citrate synthase and CPT-I, sug-

gesting no effect on mitochondria (

Simoneau et al., 1999

). Cyto-

chrome oxidase and beta-hydroxyacyl CoA dehydrogenase

activities decreased significantly in women, but not in men, leaving

some doubt about the uniformity of mitochondrial response to

weight loss.

We have conducted a more comprehensive assessment of the

impact of weight loss per se on both mitochondrial content and

function in the insulin resistant state associated with obesity (

To-

ledo et al., 2008



). Non-diabetic insulin resistant obese subjects lost

10.8% of their initial weight with moderate caloric restriction,

which was associated with a nearly 30% improvement in insulin

sensitivity. Subjects were instructed not to change their levels of

physical activity and, accordingly, maximal aerobic capacity did

not change. Despite marked weight loss and improved insulin sen-

sitivity, mitochondrial content did not change as assessed by quan-

titative TEM. Other markers of mitochondrial content, such as

mtDNA copy number and cardiolipin content (a marker of inner-

mitochondrial membrane mass), were not changed either. NADH-

oxidase was also unaffected, indicating no changes in mitochon-

drial function. The lack of changes in mitochondrial content and

function occurred in spite of a robust decrease in IR in SkM. These

observations suggest that the lower oxidative capacity in obesity/

IR cannot be explained solely as consequence of IR. This observa-

tion is relevant because experimental evidence suggests that acute

insulin signaling in SkM lowers mitochondrial oxidative capacity

(

Asmann et al., 2006



).

Another important finding from this study was that mitochon-

drial oxidative capacity did not change in spite of a reduction in

IMCL content, and therefore suggests that the lower oxidative

capacity in obesity/IR is unlikely to be a consequence of excess li-

pid accumulation per se. Alternatively, the same result could be

interpreted as an indication that perhaps greater degrees of caloric

restriction are necessary for mitochondrial recovery. This does not,

however, seem to the case. In a study by Berggren and colleagues,

mitochondrial fatty acid oxidation was measured by incubation of

skeletal muscle homogenates with [1-

14

C]palmitate and measuring



14

CO

2



production (

Berggren et al., 2008

). Mitochondrial fatty acid

oxidation in obese women who had marked weight loss (about

50 kg) was similar to that of extremely obese subjects. Moreover,

SkM fatty acid oxidation did not change in extremely obese women

after 1 year of weight loss (mean 55 kg lost). There were also no

changes in mRNA content for PDK4, CPT I, and PGC-1a, suggesting

that the transcriptional program for mitochondrial biogenesis is

not activated by weight loss. Therefore, even significantly profound

weight loss does not seem to result in amelioration of mitochon-

drial oxidative capacity. In fact, some studies suggest that oxidative

pathways may even be reduced by weight loss. After biliopancreat-

ic diversion surgery for morbid obesity, weight loss reduced the

expression of peroxisome proliferator-activated receptor-

a

(À46.7%), carnitine palmitoyltransferase-1B (À43.1%), acyl-CoA



oxidase 1 (À37.8%), and acetyl-CoA carboxylase B (À48.7%) (

Fabris


et al., 2004

).

4. Effects of weight loss and exercise on mitochondria in aging



Regardless of whether or not mitochondria are mechanistically

linked with IR, there is little argument that mitochondria likely

play an important role in altered energy metabolism with aging.

The effects of exercise to increase mitochondria content and capac-

ity in older humans are also generally very consistent (

Pruchnic


et al., 2004; Jubrias et al., 2001; Menshikova et al., 2006; Orlander

and Aniansson, 1980; Rimbert et al., 2004; Short et al., 2003;

Waters et al., 2003

). However, the separate effect of weight loss

and exercise on mitochondria content and performance in older

humans is not known. Indeed, there is some evidence to suggest

that aging is associated with a blunted response to interventions

known to increase mitochondria (

Reznick et al., 2007

).

A decline in mitochondria content and/or function often paral-



lels the loss of muscle mass and function with age. Only until re-

cently, however, have studies been conducted – in cell systems

and animal models – to provide mechanistic evidence linking

mitochondria with muscle growth/atrophy signaling, autophagy

and sarcopenia (

Masiero et al., 2009; Romanello et al., 2010; Wenz

et al., 2009

). A conundrum for older obese men and women is that

traditional diet-induced weight loss programs can result in not

only loss of adipose tissue but also a significant loss of muscle

(

Chomentowski et al., 2009



). How this potentially translates into

further decrements in muscle function is not clear.

The CALERIE study reported that energy restriction-induced

weight loss increased expression of oxidative phosphorylation

genes in SkM (

Civitarese et al., 2007

), although the related enzyme

activities were unchanged. Moreover, the average age of their sub-

jects was <60 years old (39–41). Subjects in the CALERIE study

were not obese, and thus not representative of the typical obese

insulin-resistant phenotype in which a lower mitochondrial oxida-

tive capacity has been mostly reported. We have reported in a ran-

domized trial that diet-induced weight loss fails to increase

markers of mitochondrial oxidative capacity in overweight to ob-

ese older men and women (

Dube et al., 2011

). This was in contrast

to an improvement in mitochondrial enzyme activity in those who

completed an exercise-training program without significant

weight loss. Although further evidence is clearly needed to deter-

mine the effects of weight loss on mitochondria in the elderly,

the limited evidence is consistent with that observed for middle-

aged men adults. Based on the high prevalence of older adults

attempting to lose weight with dieting, it is imperative to provide

additional objective evidence concerning the pros and cons of

weight loss in this population.

5. Conclusions

In summary, the lower mitochondrial capacity associated with

obesity and T2DM is not an irreversible lesion: substantial plastic-

ity of mitochondrial biogenesis is retained in the insulin resistant

state. However, weight loss does not appear to significantly affect

this response, even when the weight loss is extreme. In contrast,

increasing physical activity improves mitochondrial content and

perhaps oxidative function of individual mitochondrion as well.

These biological responses are not triggered by amelioration of

the insulin-resistant state or a reduction in IMCL content, but likely

a reflection of a concerted biological response to chronic contrac-

tile activity induced by exercise.

Studies of diet and exercise training have advanced our under-

standing of the link between perturbations in mitochondrial oxida-

tive capacity and the insulin resistant state seen in obesity, T2DM,

and aging. Nevertheless, a complete picture of the role of mito-

chondria in T2DM and aging remains a work in progress. More

studies are necessary to establish the relative impact and

F.G.S. Toledo, B.H. Goodpaster / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 30–34

33


significance of those mitochondrial perturbations, which could

lead to targeted therapies for these conditions.

References

Anderson, E.J., Lustig, M.E., Boyle, K.E., Woodlief, T.L., Kane, D.A., Lin, C.T., Price 3rd,

J.W., Kang, L., Rabinovitch, P.S., Szeto, H.H., Houmard, J.A., Cortright, R.N.,

Wasserman, D.H., Neufer, P.D., 2009. Mitochondrial H

2

O

2



emission and cellular

redox state link excess fat intake to insulin resistance in both rodents and

humans. J. Clin. Invest. 119, 573–581

.

Asmann, Y.W., Stump, C.S., Short, K.R., Coenen-Schimke, J.M., Guo, Z., Bigelow, M.L.,



Nair, K.S., 2006. Skeletal muscle mitochondrial functions, mitochondrial DNA

copy numbers, and gene transcript profiles in type 2 diabetic and nondiabetic

subjects at equal levels of low or high insulin and euglycemia. Diabetes 55,

3309–3319

.

Berggren, J.R., Boyle, K.E., Chapman, W.H., Houmard, J.A., 2008. Skeletal muscle lipid



oxidation and obesity: influence of weight loss and exercise. Am. J. Physiol.

Endocrinol. Metab. 294, E726–E732

.

Chomentowski, P., Dube, J.J., Amati, F., Stefanovic-Racic, M., Zhu, S., Toledo, F.G.S.,



Goodpaster, B.H., 2009. Moderate exercise attenuates the loss of skeletal muscle

mass that occurs with intentional caloric restriction-induced weight loss in older,

overweight to obese adults. J. Gerontol. Ser. A – Biol. Sci. Med. Sci. 64, 575–580

.

Chomentowski, P., Coen, P.M., Radikova, Z., Goodpaster, B.H., Toledo, F.G., 2011.



Skeletal muscle

mitochondria

in insulin

resistance:

differences

in

intermyofibrillar versus subsarcolemmal subpopulations and relationship to



metabolic flexibility. J. Clin. Endocrinol. Metab. 96, 494–503

.

Civitarese, A.E., Carling, S., Heilbronn, L.K., Hulver, M.H., Ukropcova, B., Deutsch,



W.A., Smith, S.R., Ravussin, E., Team, C.P., 2007. Calorie restriction increases

muscle mitochondrial biogenesis in healthy humans. PLoS Med. 4, e76

.

Dube, J.J., Amati, F., Stefanovic-Racic, M., Toledo, F.G.S., Sauers, S.E., Goodpaster, B.H.,



2008. Exercise-induced alterations in intramyocellular lipids and insulin

resistance: the athlete’s paradox revisited. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab.

294, E882

.

Dube, J.J., Amati, F., Toledo, F.G., Stefanovic-Racic, M., Rossi, A., Coen, P., Goodpaster,



B.H., 2011. Effects of weight loss and exercise on insulin resistance, and

intramyocellular triacylglycerol, diacylglycerol and ceramide. Diabetologia 54,

1147–1156

.

Fabris, R., Mingrone, G., Milan, G., Manco, M., Granzotto, M., Pozza, A.D., Scarda, A.,



Serra, R., Greco, A.V., Federspil, G., Vettor, R., 2004. Further lowering of muscle

lipid oxidative capacity in obese subjects after biliopancreatic diversion. J. Clin.

Endocrinol. Metab. 89, 1753–1759

.

Fritz, T., Kramer, D.K., Karlsson, H.K., Galuska, D., Engfeldt, P., Zierath, J.R., Krook, A.,



2006. Low-intensity exercise increases skeletal muscle protein expression of

PPARdelta and UCP3 in type 2 diabetic patients. Diabetes Metab. Res. Rev. 22,

492–498

.

Goodpaster, B.H., He, J., Watkins, S., Kelley, D.E., 2001. Skeletal muscle lipid content



and insulin resistance: evidence for a paradox in endurance-trained athletes. J.

Clin. Endocrinol. Metab. 86, 5755–5761

.

Hulver, M.W., Berggren, J.R., Cortright, R.N., Dudek, R.W., Thompson, R.P., Pories,



W.J., MacDonald, K.G., Cline, G.W., Shulman, G.I., Dohm, G.L., Houmard, J.A.,

2003. Skeletal muscle lipid metabolism with obesity. Am. J. Physiol. Endocrinol.

Metab. 284, E741

.

Jubrias, S.A., Esselman, P.C., Price, L.B., Cress, M.E., Conley, K.E., 2001. Large energetic



adaptations of elderly muscle to resistance and endurance training. J. Appl.

Physiol. 90, 1663–1670

.

Kelley, D.E., Mandarino, L.J., 2000. Fuel selection in human skeletal muscle in insulin



resistance: a reexamination. Diabetes 49, 677–683

.

Kelley, D.E., Goodpaster, B., Wing, R.R., Simoneau, J.A., 1999. Skeletal muscle fatty



acid metabolism in association with insulin resistance, obesity, and weight loss.

Am. J. Physiol. 277, E1130

.

Kelley, D., He, J., Menshikova, E., Ritov, V., 2002. Dysfunction of mitochondria in



human skeletal muscle in type 2 diabetes mellitus. Diabetes 51, 2944–2950

.

Kern, P.A., Simsolo, R.B., Fournier, M., 1999. Effect of weight loss on muscle fiber



type, fiber size capillarity, and succinate dehydrogenase activity in humans. J.

Clin. Endocrinol. Metab. 84, 4185–4190

.

Kim, J.Y., Hickner, R.C., Cortright, R.L., Dohm, G.L., Houmard, J.A., 2000. Lipid



oxidation is reduced in obese human skeletal muscle. Am. J. Physiol. Endocrinol.

Metab. 279, E1039

.

Larsen, S., Nielsen, J., Hansen, C.N., Nielsen, L.B., Wibrand, F., Stride, N., Schroder,



H.D., Boushel, R., Helge, J.W., Dela, F., Hey-Mogensen, M., 2012. Biomarkers of

mitochondrial content in skeletal muscle of healthy young human subjects. J.

Physiol. 590, 3349–3360

.

Lowell, B.B., Shulman, G.I., 2005. Mitochondrial dysfunction and type 2 diabetes.



Science 307, 384–387

.

Masiero, E., Agatea, L., Mammucari, C., Blaauw, B., Loro, E., Komatsu, M., Metzger, D.,



Reggiani, C., Schiaffino, S., Sandri, M., 2009. Autophagy is required to maintain

muscle mass. Cell Metab. 10, 507–515

.

McGarry, J.D., 1995. The mitochondrial carnitine palmitoyl transerase system: its



broadening role in fuel homeostasis and new insights into its molecular

features. Biochem. Soc. Trans. 23, 321–324

.

Meex, R.C., Schrauwen-Hinderling, V.B., Moonen-Kornips, E., Schaart, G., Mensink,



M., Phielix, E., van de Weijer, T., Sels, J.P., Schrauwen, P., Hesselink, M.K., 2010.

Restoration of muscle mitochondrial function and metabolic flexibility in type 2

diabetes by exercise training is paralleled by increased myocellular fat storage

and improved insulin sensitivity. Diabetes 59, 572–579

.

Menshikova, E.V., Ritov, V.B., Toledo, F.G., Ferrell, R.E., Goodpaster, B.H., Kelley, D.E.,



2005. Effects of weight loss and physical activity on skeletal muscle

mitochondrial function in obesity. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 288, E818

.

Menshikova, E.V., Ritov, V.B., Fairfull, L., Ferrell, R.E., Kelley, D.E., Goodpaster, B.H.,



2006. Effects of exercise on mitochondrial content and function in aging human

skeletal muscle. J. Gerontol. Ser. A – Biol. Sci. Med. Sci. 61, 534–540

.

Mootha, V.K., Lindgren, C.M., Eriksson, K.F., Subramanian, A., Sihag, S., Lehar, J.,



Puigserver, P., Carlsson, E., Ridderstrale, M., Laurila, E., Houstis, N., Daly, M.J.,

Patterson, N., Mesirov, J.P., Golub, T.R., Tamayo, P., Spiegelman, B., Lander, E.S.,

Hirschhorn, J.N., Altshuler, D., Groop, L.C., 2003. PGC-1alpha-responsive genes

involved in oxidative phosphorylation are coordinately downregulated in

human diabetes. Nat. Genet. 34, 267–273

.

Orlander, J., Aniansson, A., 1980. Effect of physical training on skeletal muscle metabolism



and ultrastructure in 70 to 75-year-old men. Acta Physiol. Scand. 109, 149–154

.

Patti, M.E., Butte, A.J., Crunkhorn, S., Cusi, K., Berria, R., Kashyap, S., Miyazaki, Y., Kohane, I.,



Costello, M., Saccone, R., Landaker, E.J., Goldfine, A.B., Mun, E., DeFronzo, R., Finlayson,

J., Kahn, C.R., Mandarino, L.J., 2003. Coordinated reduction of genes of oxidative

metabolism in humans with insulin resistance and diabetes: potential role of PGC1

and NRF1. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 100, 8466–8471

.

Petersen, K.F., Befroy, D., Dufour, S., Dziura, J., Ariyan, C., Rothman, D.L., DiPietro,



L., Cline, G.W., Shulman, G.I., 2003. Mitochondrial dysfunction in the elderly:

possible role in insulin resistance. Science 300, 1140–1142


Download 2.44 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   23




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling