The function of Activin receptor type IIb signaling in adult skeletal muscle

Abstract

Myostatin, a growth factor of the TGF-β family that signals through the activin receptor-IIB (ActRIIB), has been identified as an important negative regulator of skeletal muscle growth. However, its effect on muscle energy metabolism and energy dependent muscle function remains largely unexplored. I here investigated the consequence of impaired ActRIIB signaling for muscle metabolism in two experimental models, i) the constitutive myostatin knockout mice and ii) following pharmacological administration of soluble ActRIIB in adult mice. Our results demonstrate that myostatin knockout mice develop a strong fatigability, a decrease in mitochondrial respiration and a molecular signature towards a glycolytic metabolism. As these findings may be explained by the congenital shift towards fast glycolytic muscle fibers in these mice, I investigated the effect of inhibition of ActRIIB signaling in adult mice. I provide evidence, notably for the mdx mouse, model for Duchenne muscular dystrophy, that ActRIIB blockade, despite an unchanged fiber type distribution, leads to extreme exercise intolerance. This was associated with pathologically increased serum lactate levels and myopathic features. In-depth biochemical and molecular analysis demonstrates that blockade of ActRIIB signaling down-regulates the ATP channel porin, reduces muscle capillarization and leads to a consecutive deficiency in oxidative phosphorylation. I also show that ActRIIB regulates key determinants of muscle metabolism, such as Pparβ, Pgc1α, and Pdk4, thereby optimizing different components of muscle energy metabolism. Taken together, my results demonstrate that ActRIIB blockade provokes a metabolic myopathy, especially in the context of dystrophic muscle, in which an underlying metabolic stress already exists. In conclusion, I cannot recommend the use of ActRIIB signaling blockade as a therapeutic strategy for muscle diseases.

Myostatin, ein Signalmolekül der TGF-β-Familie, vermittelt seine Wirkung über den Aktivin- Rezeptor-IIB (ActRIIB) und ist ein extrem starker Hemmer des Skelettmuskelwachstums. Andere Wirkungen des Myostatin, insbesondere die ihm zugeschriebene Regulierung des Muskelenergiestoffwechsels und der energieabhängigen Muskelfunktion, sind noch weithin unerforscht. Ich habe in meiner Arbeit die Folgen einer gestörten ActRIIB-Signalübertragung für den Muskelstoffwechsel anhand zweier Experimentalmodelle untersucht: i) in einem konstitutiven Myostatin-knockout-Mausmodell (Mstn-/-) und ii) mittels einer pharmakologischen ActRIIB-Blockade in adulten Mäusen durch Behandlung mit löslichem ActRIIB-Rezeptor. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Mstn-/--Mäuse unter körperlicher Belastung schnell ermüden. Diese vermehrte muskuläre Ermüdbarkeit geht mit einer verminderten mitochondrialen Atmung und einer molekularen Veränderung zugunsten des glykolytischen Stoffwechsels einher. Diese Veränderungen könnten einer angeborenen Muskelfaserverteilungsstörung zugunsten glykolytischer Fasern zugeschrieben werden, die bei der Mstn-/-Maus typischerweise auftritt. Ich habe deshalb die Auswirkung einer ActRIIBBlockade in der adulten Maus untersucht und konnte zunächst zeigen, dass es dabei zu keiner Faserverteilungsstörung kommt. Eine ActRIIB-Blockade führt insbesondere im mdx-Mausmodell der Muskeldystrophie Duchenne zu einer extremen Belastungsintoleranz. Dies geht einher mit einer pathologischen Serumlaktaterhöhung und zunehmenden Zeichen einer Muskelerkrankung. Ich konnte mittels biochemischer und molekularbiologischer Analysen zeigen, dass eine Inhibierung der ActRIIB-Wirkung sowohl zu einer verminderten Bildung des ATP- Kanalproteins Porin führt, als auch zu einer verminderten Anzahl von Muskelkapillaren und zu einem sich daraus ergebenden Defizit der oxidativen Phosphorylierung. Ich habe weiterhin herausgefunden, dass der ActRIIB- Signalweg wichtige Kontrollgene des Muskelstoffwechsels reguliert, wie z.B. Pparβ, Pgc1α und Pdk4, wodurch im gesunden Muskel der oxidative Energiestoffwechsel optimiert wird. Zusammenfassend zeige ich in meiner Arbeit, dass die ActRIIB-Blockade eine metabolische Muskelerkrankung hervorruft. Diese tritt besonders bei einer vorgeschädigten dystrophen Skelettmuskulatur auf, da bei dieser Erkrankungsgruppe schon vor Behandlung eine metabolische Schädigung besteht. Aufgrund meiner Ergebnisse kann ich die Anwendung einer ActRIIB-Blockade als Therapiestrategie für Muskelerkrankungen nicht empfehlen.