Mitochondrial endocrinology Mitochondria as key to hormones and metabolism


Download 2.44 Mb.
Pdf ko'rish
bet9/23
Sana01.10.2017
Hajmi2.44 Mb.
#16915
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   23

1896

.

Short, K.R., Vittone, J.L., Bigelow, M.L., Proctor, D.N., Nair, K.S., 2004. Age and aerobic



exercise training effects on whole body and muscle protein metabolism. Am. J.

Physiol. Endocrinol. Metab. 286, E92–101

.

Short, K.R., Bigelow, M.L., Kahl, J., Singh, R., Coenen-Schimke, J., Raghavakaimal, S.,



Nair, K.S., 2005a. Decline in skeletal muscle mitochondrial function with aging

in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 5618–5623

.

Short, K.R., Vittone, J.L., Bigelow, M.L., Proctor, D.N., Coenen-Schimke, J.M., Rys, P.,



Nair, K.S., 2005b. Changes in myosin heavy chain mRNA and protein expression

in human skeletal muscle with age and endurance exercise training. J. Appl.

Physiol. 99, 95–102

.

Slivka, D.R., Dumke, C.L., Tucker, T.J., Cuddy, J.S., Ruby, B., 2012. Human mRNA



response to exercise and temperature. Int. J. Sports Med. 33, 94–100

.

Someya, S., Yu, W., Hallows, W.C., Xu, J., Vann, J.M., Leeuwenburgh, C., Tanokura, M.,



Denu, J.M., Prolla, T.A., 2010. Sirt3 mediates reduction of oxidative damage and

prevention of age-related hearing loss under caloric restriction. Cell 143, 802–

812

.

Tonkonogi, M., Fernstrom, M., Walsh, B., Ji, L.L., Rooyackers, O., Hammarqvist, F.,



Wernerman, J., Sahlin, K., 2003. Reduced oxidative power but unchanged

antioxidative capacity in skeletal muscle from aged humans. Pflug. Arch 446,

261–269

.

Trappe, S., Godard, M., Gallagher, P., Carroll, C., Rowden, G., Porter, D., 2001.



Resistance training improves single muscle fiber contractile function in older

women. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 281, C398–406

.

Trappe, S., Gallagher, P., Harber, M., Carrithers, J., Fluckey, J., Trappe, T., 2003. Single



muscle fibre contractile properties in young and old men and women. J. Physiol

552, 47–58

.

Trappe, T., Williams, R., Carrithers, J., Raue, U., Esmarck, B., Kjaer, M., Hickner, R.,



2004. Influence of age and resistance exercise on human skeletal muscle

proteolysis: a microdialysis approach. J. Physiol. 554, 803–813

.

Trappe, S., Hayes, E., Galpin, A.J., Kaminsky, L.A., Jemiolo, B., Fink, W.J., Trappe, T.A.,



Jansson, A., Gustafsson, T., Tesch, P.A., 2012. New records in aerobic power

among octogenarian lifelong endurance athletes. J. Appl. Physiol.

.

Trounce, I., Byrne, E., Marzuki, S., 1989. Decline in skeletal muscle mitochondrial



respiratory chain function: possible factor in ageing. Lancet 1, 637–639

.

von Walden, F., Jakobsson, F., Edstrom, L., Nader, G.A., 2012. Altered autophagy gene



expression and persistent atrophy suggest impaired remodeling in chronic

hemiplegic human skeletal muscle. Muscle Nerve 46, 785–792

.

Waters, D.L., Mullins, P.G., Qualls, C.R., Raj, D.S., Gasparovic, C., Baumgartner, R.N.,



2009. Mitochondrial function in physically active elders with sarcopenia. Mech.

Ageing Dev. 130, 315–319

.

Wenz, T., 2011. Mitochondria and PGC-1alpha in aging and age-associated diseases.



J. Aging Res. 2011, 810619

.

Wenz, T., Rossi, S.G., Rotundo, R.L., Spiegelman, B.M., Moraes, C.T., 2009. Increased



muscle PGC-1alpha expression protects from sarcopenia and metabolic disease

during aging. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 20405–20410

.

Westphal, C.H., Dipp, M.A., Guarente, L., 2007. A therapeutic role for sirtuins in



diseases of aging? Trends Biochem. Sci. 32, 555–560

.

White, A.T., Schenk, S., 2012. NAD(+)/NADH and skeletal muscle mitochondrial



adaptations to exercise. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 303, E308–21

.

Wilkinson, S.B., Phillips, S.M., Atherton, P.J., Patel, R., Yarasheski, K.E., Tarnopolsky,



M.A., Rennie, M.J., 2008. Differential effects of resistance and endurance

exercise in the fed state on signalling molecule phosphorylation and protein

synthesis in human muscle. J. Physiol. 586, 3701–3717

.

Williamson, D.L., Raue, U., Slivka, D.R., Trappe, S., 2010. Resistance exercise, skeletal



muscle FOXO3A, and 85-year-old women. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 65,

335–343


.

Wright, D.C., Han, D.H., Garcia-Roves, P.M., Geiger, P.C., Jones, T.E., Holloszy, J.O.,

2007. Exercise-induced mitochondrial biogenesis begins before the increase in

muscle PGC-1alpha expression. J. Biol. Chem. 282, 194–199

.

Zhang, C., Cuervo, A.M., 2008. Restoration of chaperone-mediated autophagy in



aging liver improves cellular maintenance and hepatic function. Nat. Med. 14,

959–965


.

Zucchini, C., Pugnaloni, A., Pallotti, F., Solmi, R., Crimi, M., Castaldini, C., Biagini, G.,

Lenaz, G., 1995. Human skeletal muscle mitochondria in aging: lack of

detectable morphological and enzymic defects. Biochem. Mol. Biol. Int. 37,

607–616

.

Zwetsloot, K.A., Laye, M.J., Booth, F.W., 2009. Novel epigenetic regulation of skeletal



muscle myosin heavy chain genes. Focus on ‘‘Differential epigenetic

modifications of histones at the myosin heavy chain genes in fast and slow

skeletal muscle fibers and in response to muscle unloading’’. Am. J. Physiol. Cell

Physiol. 297, C1–3

.

A.R. Konopka, K. Sreekumaran Nair / Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 19–29



29

The role of weight loss and exercise in correcting skeletal muscle

mitochondrial abnormalities in obesity, diabetes and aging

Frederico G.S. Toledo, Bret H. Goodpaster

Division of Endocrinology and Metabolism, Department of Medicine, School of Medicine, University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, United States



a r t i c l e i n f o

Article history:

Available online 20 June 2013

Keywords:

Mitochondria

Weight loss

Exercise

Physical activity

Skeletal muscle

Obesity


a b s t r a c t

Mitochondria within skeletal muscle have been implicated in insulin resistance of obesity and type 2 dia-

betes mellitus as well as impaired muscle function with normal aging. Evaluating the potential of inter-

ventions to improve mitochondria is clearly relevant to the prevention or treatment of metabolic diseases

and age-related dysfunction. This review provides an overview and critical evaluation of the effects of

weight loss and exercise interventions on skeletal muscle mitochondria, along with implications for insu-

lin resistance, obesity, type 2 diabetes and aging. The available literature strongly suggests that the lower

mitochondrial capacity associated with obesity, type 2 diabetes and aging is not an irreversible lesion.

However, weight loss does not appear to affect this response, even when the weight loss is extreme. In

contrast, increasing physical activity improves mitochondrial content and perhaps the function of indi-

vidual mitochondrion. Despite the consistent effect of exercise to improve mitochondrial capacity, stud-

ies mechanistically linking mitochondria to insulin resistance, reductions in intramyocellular lipid or

improvement in muscle function remain inconclusive. In summary, studies of diet and exercise training

have advanced our understanding of the link between mitochondrial oxidative capacity and insulin resis-

tance in obesity, type 2 diabetes and aging. Nevertheless, additional inquiry is necessary to establish the

significance and clinical relevance of those perturbations, which could lead to targeted therapies for a

myriad of conditions and diseases involving mitochondria.

Ó 2013 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

1. Introduction

Mitochondria within skeletal muscle (SkM) provide energy re-

quired for contraction, and by extension, mobility and the ability

to perform physical work. To support this primary role of skeletal

muscle, mitochondria are also critical to other essential myocellu-

lar functions, including storage and utilization of fuel, primarily

glucose and fatty acids, as well as cell signaling and modulating

oxidative stress. Therefore, it is not surprising that mitochondria

within skeletal muscle have been implicated in aging as well as

insulin resistance (IR) of obesity and type 2 diabetes mellitus

(T2DM). Targeting mitochondria with interventions to prevent,

attenuate, or treat aging, age-related diseases and metabolic dis-

eases and dysfunction could then have important public health

implications. The primary purpose of this review is to provide an

objective overview and critical evaluation of studies examining

the effects of weight loss and exercise interventions on skeletal

muscle mitochondria, along with implications for deranged energy

metabolism, most notably IR, obesity, T2DM and aging.

2. A potential role for mitochondria in the pathophysiology of

skeletal muscle insulin resistance

Despite a great deal of progress that has been made in unravel-

ing the mechanisms behind the etiology of IR, its pathophysiology

remains far from clear. This is due in part to the recognized multi-

plicity of factors that contribute to the development of IR. No single

disturbance exclusively explains the pathophysiology of this con-

dition. For instance, both genetic and a number of acquired factors

(e.g., obesity, sedentary lifestyle, and neurohormonal influences)

work in concert to modulate insulin sensitivity in organs such as

liver and muscle, which are responsible for partitioning glucose

and maintaining normal plasma glucose homeostasis. Therefore,

several players participate in the pathophysiology of IR. In the past

decade, mitochondria have emerged as an additional player in IR

associated with obesity, T2DM, and perhaps aging.

Although mitochondria have been reported as abnormal or

‘‘dysfunctional’’ in insulin-resistant states and aging, their exact

role in glucose homeostasis and fuel metabolism is not completely

understood. Nevertheless, in the context of IR of obesity, T2DM and

aging, there have been great advances in our understanding of how

mitochondria react to weight loss and to physical activity. These

0303-7207/$ - see front matter

Ó 2013 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

http://dx.doi.org/10.1016/j.mce.2013.06.018

Corresponding author. Address: University of Pittsburgh, 3459 Fifth Avenue,



MUH N810, Pittsburgh, PA 15213, United States. Tel.: +1 412 692 2848; fax: +1 412

692 2165.

E-mail address:

bgood@pitt.edu

(B.H. Goodpaster).

Molecular and Cellular Endocrinology 379 (2013) 30–34

Contents lists available at

SciVerse ScienceDirect

Molecular and Cellular Endocrinology

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / m c e



advances have shed light on the relationship between mitochon-

dria and fuel metabolism.

The objective of this review is to give the reader an overview of

what has been learned from human studies that have investigated

how skeletal muscle mitochondria adapt and react to changes in

metabolism induced by diet and exercise in the context of glucose

metabolism. This review will focus predominantly on human SkM

studies for two reasons: (a) Reports of abnormal mitochondrial

capacity in SkM have direct relevance to human disease; and (b)

While the association between mitochondria and obesity-induced

IR has been replicated numerous times in humans, animal data

has been less consistent and probably reflective of interspecies dif-

ferences between animals and humans.

2.1. Terminology

Terms such as ‘‘mitochondrial dysfunction’’ (

Petersen et al.,

2003; Petersen et al., 2004

) and ‘‘mitochondrial impairments’’ (

Kel-

ley et al., 2002



) have been commonly employed in the obesity, dia-

betes, and physiology of aging literature. However, this review

favors avoiding those terminologies, because they are potentially

confusing for a couple of reasons. First, ‘‘dysfunction’’ implies

pathology in SkM, but it is far from established whether altered

mitochondria reflect a physiological adaptation, pathological mal-

adaptation, or primarily a pathological phenomenon. Second, there

is a multiplicity of mitochondrial functions in cell biology. Mito-

chondrial function can be measured in terms of ATP generation,

substrate oxidation, intracellular calcium buffering, induction of

apoptosis, to name a few. Therefore, the term mitochondrial ‘‘func-

tion’’ can be imprecise unless clearly defined. In this review, mito-

chondrial function specifically refers to the function of fuel

oxidation. Furthermore and equally important, the total mitochon-

drial oxidative capacity of a cell depends on not only its total mito-

chondrial content, but also on the functional capacity of each

mitochondrion (i.e. ‘‘intrinsic mitochondrial function’’). When

referring to mitochondrial ‘‘function’’ or ‘‘dysfunction’’, it may not

be always obvious whether it refers to either a deficit in total oxi-

dative capacity, or to the intrinsic function of each mitochondrion.

Since the total oxidative capacity of a cell depends on both content

and function of mitochondria, we prefer to employ the term mito-

chondrial capacity

, as adopted in previous studies (

Toledo et al.,

2006; Toledo et al., 2007; Toledo et al., 2008

), to denote the global

integrated components of content and function, which is a more

relevant parameter for cell metabolism. Thus, whenever appropri-

ate, mitochondrial function per individual mitochondrion or mito-

chondrial content will be specified. It should also be noted that the

term ‘mitochondrial capacity’ reflects the maximal cellular capacity

for oxidation in SkM. Therefore, the term distinctively does not ap-

ply to situations where measurements occur in sub-maximal con-

ditions of metabolic demand (e.g. muscle at rest); in those

instances mitochondrial activity for a given condition, rather than

maximal capacity, is being quantified.

2.2. Are mitochondria abnormal in insulin-resistant skeletal muscle?

At a cellular level, a common feature of IR is the presence of in-

creased lipid accumulation in insulin-responsive tissues such as li-

ver and SkM. This ectopic fat accumulation helps explain why

obesity and lipodystrophy are associated with IR: when adipose

tissue capacity to store lipids is sub-optimal, lipid is ectopically

stored in SkM and liver, but this ectopic fat disrupts substrate uti-

lization in these tissues, leading to IR. While excess intramyocellu-

lar lipid (IMCL) has been clearly associated with IR, and excess lipid

supply to muscle certainly plays a role in conditions of energy ex-

cess, high-fat diet and obesity, the underlying cellular mechanisms

for inappropriate accumulation of lipids during physiological con-

ditions are much less clear. Since lipids are oxidized in mitochon-

dria, one such factor could theoretically be the overall

mitochondrial capacity of SkM. It has been theorized that if defi-

cient, a reduced mitochondrial capacity might predispose to lipid

accumulation and thus aggravate IR (

Lowell and Shulman, 2005

).

Since the pioneering studies by Randle and colleagues in the



1960s (

Randle et al., 1963

) supporting a model of fuel competition

and IR, there have been numerous investigations into the role of

fuel selection in the etiology of muscle IR (for a review see

Kelley


and Mandarino, 2000

). Many of these earlier studies revealed

impairments in fatty acid oxidation, lower mitochondrial enzyme

activities and lower expression of genes related to oxidative capac-

ity within skeletal muscle in obesity and T2DM (

Hulver et al., 2003;

Kelley et al., 1999; Kim et al., 2000; McGarry, 1995; Simoneau

et al., 1999; Mootha et al., 2003; Patti et al., 2003

).

3. Effects of weight loss and exercise training on mitochondrial



oxidative capacity in insulin-resistant obesity

While a lower mitochondrial oxidative capacity observed in

insulin-resistant subjects has been consistently demonstrated, its

pathophysiological significance remains unsettled. To date, it is

not clear whether it represents a pathological defect or a physio-

logical adaptation. Favoring the notion that it represents a patho-

logical state, the term ‘‘mitochondrial dysfunction’’ has been

proposed (

Petersen et al., 2003; Kelley et al., 2002

). In support of

this hypothesis, signs of mitochondrial abnormalities were re-

ported in lean healthy subjects with a parental history of type 2

diabetes, raising the possibility of an inheritable etiology (

Petersen


et al., 2004

). However, others have proposed that the lower oxida-

tive capacity in IR is not necessarily a form of mitochondrial

pathology and may represent a consequence of the insulin-resis-

tant state or stress induced by nutrient overload (

Stump et al.,

2003; Anderson et al., 2009

). While it remains unclear whether

the reduction in oxidative capacity represents either a defect or

an adaptation, the extent to which it is either reversible or an

enduring defect has now been well characterized by interventional

studies that are discussed in this review. Examining how mito-

chondria respond to weight loss, exercise training, and insulin sen-

sitizers has broadened our understanding of mitochondrial biology

in IR.

One of the earliest studies to suggest that significant mitochon-



drial plasticity is preserved in the obese/insulin-resistant state

showed that overall oxidative capacity in SkM can be improved

by lifestyle modifications typically recommended for obesity

(

Menshikova et al., 2005



). In a 16-week lifestyle modification pro-

gram consisting of reduced calorie intake and weekly moderate-

intensity aerobic training, obese non-diabetic volunteers experi-

enced a 9.7% weight loss and significant improvements in whole-

body aerobic capacity, insulin sensitivity and whole-body fat oxi-

dation. In parallel with these changes, total NADH oxidase and suc-

cinate oxidase activities were increased after the intervention,

denoting improved electron-transport chain oxidative capacity

and remodeling of mitochondrial oxidative capacity. However,

mtDNA content was not significantly increased in response to the

intervention, suggesting impaired biogenesis with intact functional

remodeling of mitochondria. In line with the notion of subnormal

biogenesis, citrate synthase (a surrogate marker of mitochondrial

content) was unchanged in half of the participants in that study.

Similarly, citrate synthase was also unchanged in the CALERIE

study, in which overweight volunteers underwent either caloric

restriction or caloric restriction with exercise. In both instances,

citrate synthase activity did not increase (

Civitarese et al., 2007

).

The uncertainty surrounding the effect of those interventions



on mitochondrial content expansion may be in part attributable

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

31


to methodological reasons. The tight cytoskeleton apparatus of

SkM represents a technical challenge for isolation of mitochondria

and pure mitochondrial preparations without contaminants are

not easy to obtain. Furthermore, mitochondria can be functionally

harmed during isolation methods resulting in potentially mislead-

ing results (

Picard et al., 2010; Picard et al., 2011

), For instance,

mtDNA has been shown to be a poor marker of mitochondrial con-

tent (


Larsen et al., 2012

). Finally, at least in some instances citrate

synthase can be regulated by exercise in a manner disconnected to

mitochondrial content (

Tonkonogi et al., 1997

). The first unequiv-

ocal demonstration that mitochondrial content expands in re-

sponse to lifestyle modifications in obesity/IR was made possible

by studies employing transmission electron microscopy with

quantitative stereologic analysis (

Toledo et al., 2006

). The advan-

tage of that approach is that mitochondrial content is measured

in situ


, therefore overcoming the issues of preparation purity, func-

tional damage, and modulation of enzyme activity independent of

enzyme content. Using that approach, it was found that SkM mito-

chondrial content increased on average by 42% after weight loss

and exercise training (

Toledo et al., 2006

). Mitochondrial morphol-

ogy was also affected, noted by a 19% increase in mitochondrial

size. In that study, both mitochondrial content and size strongly

correlated with the degree of change in insulin sensitivity

(r = 0.72 and r = 0.68, respectively). While not necessarily suggest-

ing causality, it reinforced the notion of a tight link between mito-

chondria and IR. However, as will be discussed later in this review,

the link between mitochondria and insulin resistance can some-

times be dissociated.

3.1. Intervention effects in T2DM

In the spectrum of obesity and IR, the most severe impairments

in mitochondrial content seem to occur in T2DM (

Chomentowski

et al., 2011

). Subjects with T2DM also display the greatest degrees

of derangements in insulin sensitivity in SkM and the greatest

IMCL lipid accumulation. They also have hyperglycemia, which

might conceivably be another insult to mitochondria. But as dem-

onstrated by interventional studies, even subjects with T2DM re-

tain a substantial capacity for increasing mitochondrial

biogenesis in response to simple lifestyle modifications. In a study

involving subjects with T2DM, a 4-month intervention consisting

of diet to achieve weight loss and daily exercise training resulted

in robust improvements in SkM mitochondrial oxidative capacity

(

Toledo et al., 2007



). Mitochondrial content measured by quantita-

tive TEM, citrate synthase, and the activity of NADH oxidase were

all increased by the intervention. While many factors unrelated to


Download 2.44 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   23




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