Muscle represents the means to move. This movement needs energy, which is generated by the central carbon metabolism. Respective to function, different types of muscle have developed. Two main categories exist: Red (TI) oxidative slow twitch muscles optimized for long lasting contractions and white (TII) glycolytic fast twitch muscles, which are differently affected by aging and disease. Metabolic profiles are altered in muscle disease, by changed enzyme levels or regulation. I generated detailed metabolic and proteomic profiles from different muscle fiber types; Extensor digitorum longus, Tibialis anterior (both glycolytic), Quadriceps (glycolytic/oxidative) and Soleus (oxidative) of C57BL/6N mice. I found a distinct molecular make up for each muscle. While current classification holds expectedly true, my systems biology approach allows for a more detailed look at the interplay between metabolites and proteins. Dysferlinopathy, a hereditary muscular dystrophy, manifests in puberty, when glycolysis becomes prominent. In her thesis S. Keller subjected a mouse dysferlinopathy model (BLA/J) and human myotubes to MS-based metabolomics and proteomics and found a metabolic phenotype: Enzyme levels were mostly unchanged between diseased and control samples. Glycolysis intermediates including glucose-6-phosphate were reduced, polyol pathway members sorbitol and fructose were increased. Based on work by M. Pietzke and Ch. Zasada et al. I established label tracing methods including the glycogen pool in primary human myotubes. This allowed to demonstrate function loss of hexokinase II in dysferlinopathy. Label incorporation (LI) was slower in glycolytic intermediates and glycogen. LI into sorbitol was unchanged. Glycolysis impairment leads to more oxidative metabolism, causing oxidative stress, reflected in elevated pentose phosphate pathway poolsizes. In the cell the membrane repair protein Dysferlin is located in dysferlin vesicles. I subjected fractions enriched for dysferlin vesicles by S. Kunz [3] to proteomics and found well established interaction partners, but also glycolytic enzymes never discussed before in the literature. This further establishes a metabolic role of dysferlin. The techniques used in these studies require muscle tissue samples. Together with H. Kuich we performed a proof of principle study on a single human volunteer during exercise to assess the reflection of muscle metabolism in easier obtainable blood. 10 µL blood samples from the fingertip, similar to a diabetics blood glucose test, sufficed to recapitulate well established knowledge of sports medicine and find a possible molecular explanation for the phenomenon “Hitting the Wall”. The samples show relatedness according to “rate of perceived exhaustion” possibly reflecting energy availability in the muscle. We could attribute the relations to nine key metabolites. This workflow might lead to easier muscle disease diagnostics in health care.
Muskel ist der Hauptverbraucher von Energie im Körper. Diese Energie wird mittels des zentralen Kohlenstoff Metabolismus gewonnen. Zwei Hauptkategorien von Muskeln existieren: oxidative, langsam kontrahierende (Typ 1) und glykolytische, schnell kontrahierende (Typ 2). Die verschiedenen Fasertypen zeigen unterschiedliche Anfalligkeiten für Krankheiten und den natürlichen Alterungsprozess. Dies macht die Unterschiede zwischen Muskeln auf molekularer Ebene interessant. Ich generierte Metabolom- und Proteomdaten von Muskeln mit spezifischen Eigenschaften; Extensor digitorum longus, Tibialis anterior (beide glykolytisch), Quadriceps (gemischt) und Soleus (oxidativ) von Mäusen. Es zeigte sich, das jeder Muskel eine spezifische molekulare Zusammensetzung besitzt. Die klassischen Kategorisierungsparameter bleiben bestehen, aber der systembiologische Ansatz erlaubt einen diffenrenzierteren Blick auf das Zusammenspiel von Metaboliten und Proteinen. Dysferlinopathie ist eine Erbkrankheit, die sich wahrend der Pubertät manifestiert, wenn sich der adulte glykolytische Stoffwechsel einstellt. Meine Vorgängerin S. Keller hatte Muskeln von BLA/J-Mäusen (ein Dysferlinopathie-Modell) und humane Myotuben analysiert und einen metabolischen Phanotyp der Krankheit gefunden: Glykolytische Enzyme waren unverandert, aber Glucose-6-phosphat und nachfolgende Metabolite waren vermindert, Sorbitol und Fructose erhöht. Basierend auf Arbeit von Pietzke und Zasada et al. etablierte ich eine Methode zur Messung der Labelinkorporation inklusive Glycogen in primären humanen Myotuben und konnte zeigen, dass tatsächlich die Funktion von Hexokinase II vermindert ist. Verminderte Glykolyseaktivitat führt zu einer Steigerung des oxidativen Metabolismus und erhöhtem oxidativen Stressniveau, was das beobachtete erhöhte Niveau an Pentosephosphatweg-Metaboliten zeigt. In der Zelle liegt das Membranreparaturprotein Dysferlin in Dysferlinvesikeln vor. Diese Vesikel wurden von S. Kunz isoliert. Im Vesikelproteom konnte ich etablierte Interaktionspartner und glykolytische Enzyme finden, die zwar z. T. in der Literatur bekannt sind, aber nie diskutiert wurden. Diese Techniken basieren alle auf Muskelbiopsien. Gemeinsam mit H. Kuich evaluierte ich im Rahmen einer Machbarkeitsstudie Blut als leichter erhältliches Probenmaterial, aus dem Muskelmetabolismus potentiell ablesbar ist. Aus 10 µL großen Blutproben, ähnlich einem Blutzuckertest, und gesammelt unter körperlicher Belastung, konnten wir etabliertes Wissen der Sportmedizin nachvollziehen und eine Erklärung für das Phänomen ”Hitting the Wall“ finden. Insbesondere zeigten die Proben größte Ähnlichkeit gemäß der selbst empfundenen Erschöpfung, was potentiell Rückschlüsse auf den Energiezustand des Muskels zulasst. Wir konnten 9 Schlüsselmetabolite bestimmen, auf denen diese Verwandtschaft beruht. Diese Analyse-Pipeline könnte eine Translation von Metabolomics in den klinischen Alltag der Muskeldiagnostik ebnen.
