Contractile activity-specific transcriptome response to acute endurance exercise and training in human skeletal muscle

Abstract

Reduction in daily activity leads to dramatic metabolic disorders, while regular aerobic exercise training is effective for preventing this problem. The purpose of this study was to identify genes that are directly related to contractile activity in human skeletal muscle, regardless of the level of fitness. Transcriptome changes after the one-legged knee extension exercise in exercised and contralateral nonexercised vastus lateralis muscle of seven men were evaluated by RNA-seq. Transcriptome change at baseline after 2 mo of aerobic training (5/wk, 1 h/day) was evaluated as well. Postexercise changes in the transcriptome of exercised muscle were associated with different factors, including circadian oscillations. To reveal transcriptome response specific for endurance-like contractile activity, differentially expressed genes between exercised and nonexercised muscle were evaluated at 1 and 4 h after the one-legged exercise. The contractile activity-specific transcriptome responses were associated only with an increase in gene expression and were regulated mainly by CREB/ATF/AP1-, MYC/MAX-, and E2F-related transcription factors. Endurance training-induced changes (an increase or decrease) in the transcriptome at baseline were more pronounced than transcriptome responses specific for acute contractile activity. Changes after training were associated with widely different biological processes than those after acute exercise and were regulated by different transcription factors (IRF- and STAT-related factors). In conclusion, adaptation to regular exercise is associated not only with a transient (over several hours) increase in expression of many contractile activity-specific genes, but also with a pronounced change (an increase or decrease) in expression of a large number of genes under baseline conditions.

A Mathematical Model Linking Ca2+-Dependent Signaling Pathway and Gene Expression Regulation in Human Skeletal Muscle

“…Для валидации разработанной нами модели, описывающей уровень экспрессии генов (выраженный в FPKM, Fragments Per Kilobase Million) и ее изменение на 1-м и 4-м часах после упражнения, были использованы собственные данные по специфическому для сократительной активности транскриптомному ответу в скелетной мышце человека, адаптированного к регулярным аэробным физическим нагрузкам [8]. Кратко, 7 молодых нетренированных мужчин участвовали в аэробной тренировке на велоэргометре (8 недель, 5 раз/неделю, 1 час/день).…”

“…Как было показано ранее [8,19,[46][47][48], уровни экспрессии генов NR4A2, NR4A3 резко повышаются в первый час после аэробной физической нагрузки в результате активации Ca\CaN-зависимых сигнальных путей. Функции этих генов связаны с увеличением массы и васкуляризации мышечной ткани, с регуляцией гликолиза, окислительного фосфорилирования и аутофагии.…”

“…Однако эти изменения могут быть связаны не только с сократительной активностью как таковой, но с действием системных факторов и циркадных ритмов. В нашем предыдущем исследовании [8], сопоставляя транскриптомные ответы в работавшей и не работавшей (контрольной) мышце, впервые удалось выделить специфический для сократительной активности транскриптомный ответ для 1-го и 4-го часов восстановления после аэробного упражнения. Было показано, что доминирующий биологический процесс, ассоциированный с этим ответом -это регуляция транскрипции, т.е.…”

“…Стоит отметить, что, несмотря на современные достижения в развитии высокопроизводительных экспериментальных технологий и генерации разнообразных, гетерогенных омиксных данных, полученных на клетках скелетных мышц человека до и после физических нагрузок [4][5][6][7][8], целостное представление и детальное понимание взаимоотношений между сигнальными, метаболическими путями и процессами генетической регуляции в работающей мышечной клетке отсутствует. Метод математического моделирования представляет собой комплементарный экспериментальным методам подход для исследования молекулярных механизмов и сигнальных путей, лежащих в основе адаптации клеток скелетных мышц человека к аэробным физическим нагрузкам, на количественном уровне [9][10][11].…”

“…таблицу SM2 в дополнительных материалах к статье) [21][22][23]35]. Значения остальных параметров были получены в процессе ручной адаптации модели к имеющимся экспериментальным данными по транскрипционной активности генов раннего и отложенного ответов: времени выхода на максимальный уровень транскрипции, максимальное значение FPKM до и после физической нагрузки, а также -времени, необходимого для возврата к базальному уровню транскрипции после физического упражнения [8].…”