The role of glycoprotein 130 and the JAK/STAT-pathway in sepsis-induced muscle atrophy

Abstract

Background: Up to 90% of critically ill patients with sepsis develop intensive care unit-acquired weakness (ICUAW), which can persist for at least 5 years after discharge. Muscle atrophy occurs early in the course of the disease and is caused by a disturbed muscular protein homeostasis with impaired protein synthesis and increased breakdown, primarily via the ubiquitin-proteasome system with the E3 ligase Tripartite Motif Containing 63 (Trim63)/Muscle Really Interesting New Gene Finger 1 (MuRF1) and the F-Box protein F-box only Protein 32 (Fbxo32)/Atrogin-1. Increased interleukin-6 (IL-6) plasma levels are an independent risk factor for the development of ICUAW. In a murine model of cancer cachexia, the IL-6 receptor glycoprotein 130 (gp130) mediates muscle atrophy via the Janus kinase 2 / Signal transducer and activator of transcription 3 (JAK2/STAT3) signaling pathway. The aim of this study was to investigate the role of IL-6-induced signaling pathways in sepsis-induced muscle atrophy.

Methods: Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction was performed to measure Suppressor of Cytokine Signaling 3 (SOCS3) messenger ribonucleic acid (mRNA) expression in muscles of critically ill patients. The cecal ligation and puncture (CLP) procedure was used to induce sepsis in mice. Sequencing of bulk RNA (RNAseq) isolated from muscles of septic mice was performed. The effects of the gp130/JAK2/STAT3 and insulin/Phosphoinositide 3-kinase / Protein kinase B (PI3K/AKT) pathway were investigated by analyzing myotube diameter, mRNA expression, and protein levels in C2C12 myotubes after IL-6 and/or insulin treatment with and without pathway inhibition. Mice with a deletion of the Interleukin 6 signal transducer (Il6st), encoding gp130, in myocytes (Il6st-/-) were subjected to CLP. Additionally, mice were treated with the JAK2 inhibitor, Tyrphostin AG490. Muscle atrophy was investigated by morphological and molecular analyses.

Results: The mRNA expression of the IL-6 target gene Suppressor of Cytokine Signaling 3 (SOCS3) was increased in skeletal muscle of critically ill patients. RNAseq revealed an activation of JAK/STAT-signaling and a decrease in insulin-signaling in muscles of septic mice. IL-6-induced C2C12 myotube atrophy was attenuated by knockdown of Il6st and inhibition of JAK2- and STAT3. Co-treatment of C2C12 myotubes with IL-6 blocked insulin-induced AKT phosphorylation. Sepsis-induced activation of the JAK/STAT-pathway and muscle atrophy were reduced in Il6st-/- mice. Loss of Il6st in myocytes resulted in lower protein content of MuRF1. Sepsis-induced muscle atrophy was attenuated by treatment with AG490. Inhibition of the JAK/STAT-pathway was accompanied by a reduction in Fbxo32/Atrogin-1 and Trim63/MuRF1 mRNA and protein contents. Sepsis-induced attenuation of AKT phosphorylation was blocked by loss of Il6st.

Conclusion: The gp130/JAK2/STAT3 pathway mediates sepsis-induced muscle atrophy.

Hintergrund: Bis zu 90% septischer Patient*innen entwickeln eine Muskelschwäche, die früh im Krankheitsverlauf auftritt und mindestens 5 Jahre nach der Entlassung persistiert. Ursächlich ist eine Muskelatrophie mit reduzierter Proteinsynthese und gesteigertem -abbau. Dieser wird insbesondere durch das Ubiquitin-Proteasom-System mit der E3 Ubiquitin Ligase Tripartite Motif Containing 63 (Trim63)/Muscle Really Interesting New Gene Finger 1 (MuRF1) und dem F-Box Protein F-box only Protein 32 (Fbxo32)/Atrogin-1 vermittelt. Erhöhte Plasmawerte von Interleukin 6 (IL-6) sind ein Risikofaktor für die Entwicklung einer Muskelatrophie in kritisch kranken Patient*innen, die überdies eine Beeinträchtigung muskulärer Insulin-induzierter Signalwege zeigen. In Mäusen mit Tumorerkrankungen vermittelt IL-6 Muskelatrophie über den Glykoprotein 130 (gp130)/Januskinase 2 (JAK2)/Signal Transducer and Activator of Transcription 3 (STAT3) -Signalweg. Die hier vorgelegte Studie hatte zum Ziel, die Rolle der IL-6-induzierten Signalwege in der Sepsis-assoziierten Muskelatrophie zu untersuchen.

Methodik: Aus Skelettmuskelbiopsien kritisch kranker Patient*innen wurde eine quantitative Real-Time-Polymerase Kettenreaktion durchgeführt. Aus Skelettmuskeln septischer Mäuse wurde Ribonukleinsäure (RNA) isoliert und sequenziert (RNAseq). Die Effekte des gp130/JAK2/STAT3- und des Phosphoinositolkinase 3 (PI3K)/Proteinkinase B (AKT)-Signalweges auf Protein- und messenger RNA (mRNA)-Expression, sowie Muskelatrophie wurde in C2C12 Myotuben nach Behandlung mit IL-6 und/oder Insulin untersucht. In Mäusen mit einer muskelspezifischen Deletion von Interleukin 6 signal transducer (Il6st), dem kodierenden Gen für gp130, sowie Wildtyp Mäusen, die mit dem JAK2-Inhibitor Tyrphostin AG490 behandelt wurden, wurde mittels Ligatur und Punktion des Caecums (CLP) eine Sepsis induziert. In Muskeln wurde anschließend der Phänotyp der Atrophie, die induzierten Signalwege, die Protein- sowie mRNA-Expression analysiert.

Ergebnisse: In Muskeln kritisch kranker Patient*innen zeigte sich eine erhöhte mRNA-Expression des IL-6 Zielgens Suppressor of Cytokine Signaling 3 (SOCS3). Das RNAseq zeigte eine Aktivierung des JAK/STAT-Signalweges und eine Inhibition der insulininduzierten Signalwege in Muskeln septischer Mäuse. IL-6 inhibierte die Insulin-induzierte AKT-Phosphorylierung und induzierte Atrophie in Myotuben in vitro, die durch einen Knockdown von Il6st, sowie die Inhibition von JAK2 oder STAT3 attenuiert wurden. Eine muskelspezifische Deletion von Il6st blockierte die Reduktion der AKT-Phosphorylierung in Muskeln septischer Mäuse. Tiere mit Il6st-Deletion zeigten eine Reduktion der sepsisinduzierten Muskelatrophie, der Aktivierung des JAK/STAT-Signalweges und des MuRF1 Proteingehalts. Die JAK2-Inhibition reduzierte die Muskelatrophie in septischen Mäusen, sowie die Trim63/MuRF1 und Fbxo32/Atrogin-1 Expression.

Fazit: Der gp130/JAK2/STAT3-Signalweg vermittelt sepsisinduzierte Muskelatrophie.