Concerted regulation of skeletal muscle metabolism and contractile properties by the orphan nuclear receptor Nr2f6.

BACKGROUND: The maintenance of skeletal muscle plasticity upon changes in the environment, nutrient supply, and exercise depends on regulatory mechanisms that couple structural and metabolic adaptations. The mechanisms that interconnect both processes at the transcriptional level remain underexplored. Nr2f6, a nuclear receptor, regulates metabolism and cell differentiation in peripheral tissues. However, its role in the skeletal muscle is still elusive. Here, we aimed to investigate the effects of Nr2f6 modulation on muscle biology in vivo and in vitro. METHODS: Global RNA-seq was performed in Nr2f6 knockdown C2C12 myocytes (N = 4-5). Molecular and metabolic assays and proliferation experiments were performed using stable Nr2f6 knockdown and Nr2f6 overexpression C2C12 cell lines (N = 3-6). Nr2f6 content was evaluated in lipid overload models in vitro and in vivo (N = 3-6). In vivo experiments included Nr2f6 overexpression in mouse tibialis anterior muscle, followed by gene array transcriptomics and molecular assays (N = 4), ex vivo contractility experiments (N = 5), and histological analysis (N = 7). The conservation of Nr2f6 depletion effects was confirmed in primary skeletal muscle cells of humans and mice. RESULTS: Nr2f6 knockdown upregulated genes associated with muscle differentiation, metabolism, and contraction, while cell cycle-related genes were downregulated. In human skeletal muscle cells, Nr2f6 knockdown significantly increased the expression of myosin heavy chain genes (two-fold to three-fold) and siRNA-mediated depletion of Nr2f6 increased maximal C2C12 myocyte's lipid oxidative capacity by 75% and protected against lipid-induced cell death. Nr2f6 content decreased by 40% in lipid-overloaded myotubes and by 50% in the skeletal muscle of mice fed a high-fat diet. Nr2f6 overexpression in mice resulted in an atrophic and hypoplastic state, characterized by a significant reduction in muscle mass (15%) and myofibre content (18%), followed by an impairment (50%) in force production. These functional phenotypes were accompanied by the establishment of an inflammation-like molecular signature and a decrease in the expression of genes involved in muscle contractility and oxidative metabolism, which was associated with the repression of the uncoupling protein 3 (20%) and PGC-1α (30%) promoters activity following Nr2f6 overexpression in vitro. Additionally, Nr2f6 regulated core components of the cell division machinery, effectively decoupling muscle cell proliferation from differentiation. CONCLUSIONS: Our findings reveal a novel role for Nr2f6 as a molecular transducer that plays a crucial role in maintaining the balance between skeletal muscle contractile function and oxidative capacity. These results have significant implications for the development of potential therapeutic strategies for metabolic diseases and myopathies.

Regulação do metabolismo de glicose e ácido graxo no músculo esquelético durante exercício físico / Regulation of glucose and fatty acid metabolism in skeletal muscle during contraction

O ciclo glicose-ácido graxo explica a preferência do tecido muscular pelos ácidos graxos durante atividade moderada de longa duração. Em contraste, durante o exercício de alta intensidade, há aumento na disponibilidade e na taxa de oxidação de glicose. A produção de espécies reativas de oxigênio (EROs) durante a atividade muscular sugere que o balanço redox intracelular é importante na regulação do metabolismo de lipídios/carboidratos. As EROs diminuem a atividade do ciclo de Krebs e aumentam a atividade da proteína desacopladora mitocondrial. O efeito oposto é esperado durante a atividade moderada. Assim, as questões levantadas nesta revisão são: Por que o músculo esquelético utiliza preferencialmente os lipídios no estado basal e de atividade moderada? Por que o ciclo glicose-ácido graxo falha em exercer seus efeitos durante o exercício intenso? Como o músculo esquelético regula o metabolismo de lipídios e carboidratos em regime envolvendo o ciclo contração-relaxamento.

The glucose-fatty acid cycle explains the preference for fatty acid during moderate and long duration physical exercise. In contrast, there is a high glucose availability and oxidation rate in response to intense physical exercise. The reactive oxygen species (ROS) production during physical exercise suggests that the redox balance is important to regulate of lipids/carbohydrate metabolism. ROS reduces the activity of the Krebs cycle, and increases the activity of mitochondrial uncoupling proteins. The opposite effects happen during moderate physical activity. Thus, some issues is highlighted in the present review: Why does skeletal muscle prefer lipids in the basal and during moderate physical activity? Why does glucose-fatty acid fail to carry out their effects during intense physical exercise? How skeletal muscles regulate the lipids and carbohydrate metabolism during the contraction-relaxation cycle?.

Regulação metabólica e produção de espécies reativas de oxigênio durante a contração muscular: efeito do glicogênio na manutenção do estado redox intracelular / Metabolic regulation and production of oxygen reactive species during muscule contraction: effect of glycogen on intracellular redox state

O exercício físico prolongado reduz os estoques de glicogênio muscular. Nessas condições, os processos de fadiga muscular são estimulados coincidindo com um aumento na produção de espécies reativas de oxigênio. A suplementação de carboidratos ou de antioxidantes isoladamente contribui para a melhora da performance muscular, sugerindo um efeito importante da depleção de substrato (glicose) e do aumento da produção de EROs no desenvolvimento da fadiga muscular durante a atividade física. Embora o mecanismo seja desconhecido, estamos propondo neste estudo que uma maior disponibilidade de glicogênio poderia favorecer uma maior atividade da via das pentoses fosfato, aumentando a disponibilidade de NADPH e GSH no tecido muscular esquelético. Uma maior capacidade antioxidante aumentaria a capacidade do tecido muscular em atividade, mantendo o equilíbrio redox durante atividade física prolongada e melhorando o desempenho. Neste processo, o ciclo glicose-ácido graxo pode ser importante aumentando a oxidação de lipídio e reduzindo o consumo de glicogênio durante a atividade prolongada. Além disso, um aumento na produção de EROs pode reduzir a atividade de enzimas importantes do metabolismo celular incluindo a aconitase e a a-cetoglutarato desidrogenase, comprometendo a produção de energia oxidativa, via predominante na produção de ATP durante a atividade muscular prolongada.

Fatigue is closely related to the depletion of glycogen in the skeletal muscle during prolonged exercise. Under this condition, the production of oxygen reactive species (ROS) is substantially increased. It has been shown that dietary supplementation of carbohydrate or antioxidant attenuates muscle fatigue during contraction. This suggests that glycogen availability and/or elevated ROS production plays an important role on muscle fatigue development during prolonged muscle activity. Although the mechanism is still unknown, we propose that elevated muscle glycogen availability may lead to a high activity of hexose monophosphate pathway, increasing the NADPH and glutathione concentration in the skeletal muscle tissue. Elevated antioxidant capacity would increase the muscle redox balance during muscle contraction, improving performance. In this process, the glucose-fatty acid cycle may be important to increase lipid oxidation and consequently decrease glycogen utilization during prolonged activity. In addition, an elevated ROS production could reduce the activity of key metabolic enzymes including aconitase and a-ketoglutarate dehydrogenase, decreasing the oxidative energy production in the skeletal muscle during prolonged activity.

Efeito dos ácidos graxos no desacoplamento mitocondrial e na produção de óxido nítrico durante a contração muscular – uma hipótese / Effect of fatty acids on mitochondrial uncoupling and nitric oxide production during muscle contraction – a hypothesis

Em exercícios físicos de intensidade moderada, a transição do metabolismo de predominantemente anaeróbio para predominantemente aeróbio nos músculos em atividade é um passo chave para melhorar o desempenho. O aumento no aporte de oxigênio e nutrientes, tais como ácidos graxos livres (AGL) e glicose, que acompanha o maior fluxo sangüíneo, é requerido para que esta transição ocorra. Os mecanismos envolvidos na dilatação dos vasos nos músculos esqueléticos durante o exercício físico não são completamente conhecidos. Propomos, neste artigo, a participação dos AGL neste processo. A presença das proteínas desacopladoras-2 e -3 (UCP-2 e -3) no músculo esquelético, cuja função é regulada por AGL, abre a possibilidade de que esses metabólitos podem atuar como desacopladores mitocondriais neste tecido. O aumento na atividade lipolítica no tecido adiposo durante o exercício físico resulta em aumento na concentração plasmática de AGL. Estes poderiam, então, atuar nas proteínas desacopladoras mitocondriais nos músculos em atividade, aumentando a produção de calor local. Propomos que este efeito calorigênico é importante para a ativação da óxido nítrico sintase, resultando em aumento na produção de óxido nítrico que é um vasodilatador potente. Desta forma, os AGL seriam mediadores importantes para a adaptação do metabolismo muscular durante o exercício físico prolongado, garantindo o aporte de oxigênio e nutrientes por aumento do fluxo sangüíneo para os músculos em contração.

In moderate physical exercise, the transition from predominantly anaerobic toward predominantly aerobic metabolism is a key step to improve performance. Increase in the supply of oxygen and nutrients, such as free fatty acids (FFA) and glucose, which accompanies high blood flow, is required for this transition. The mechanisms involved in the vasodilation in skeletal muscle during physical exercise are not completely known yet. In this article, we postulate that FFA participate in this process. The presence of uncoupling protein-2 and -3 (UCP- 2 and -3) in skeletal muscle, whose function is regulated by FFA, suggests that these metabolites may act as mitochondrial uncouplers in this tissue. The increase in the lipolytic activity in adipose tissue during physical exercise leads to increased plasma FFA levels. The FFA can then act on the UCPs in contracting muscles, increasing the local heat production. We propose that this calorigenic effect of FFA is important for nitric oxide synthase activation, resulting in nitric oxide production that is a potent vasodilator. Therefore, FFA would be important mediators for adaptation of muscle metabolism during prolonged physical exercise, ensuring the appropriate supply of oxygen and nutrients by increasing blood flow in contracting skeletal muscle.

Considerações críticas e metodológicas na determinação de espécies reativas de oxigênio e nitrogênio em células musculares durante contrações / Critical and methodological analyses on the determination of reactive species in skeletal muscle cells during contractions

Uma excessiva produção de espécies reativas pode ser prejudicial, superando a capacidade antioxidante e conduzindo a um desequilíbrio redox. A maioria das evidências da formação de espécies reativas em células musculares são "indiretas", ao passo que as evidências "diretas" ainda são escassas. As razões para este fato são múltiplas. Esta revisão sugere a utilização de sondas fluorescentes como DCFH (reativa ao H2O2), DAF-2 (reativa ao NO) e fluoróforo nitróxido (reativa ao O2À-) para determinação dessas espécies. Em adição, o presente estudo sugere que: 1) as medidas "indiretas" de ataque oxidativo em amostras sangüíneas não necessariamente refletem o ataque oxidativo ocorrido nas células musculares; 2) amostras de músculos isolados e homogenatos podem apresentar uma grande quantidade de tecido vascular contendo células endoteliais, hemácias e leucócitos, os quais podem gerar EROs e NO, dificultando a interpretação dos resultados; 3) as sondas fluorescentes DCFH-DA/DCFH, DAF-2-DA/DAF-2 e nitróxido são sensíveis na detecção do H2O2, NO e O2À- respectivamente, em tecido muscular durante contrações; 4) como método alternativo no estudo da produção de EROs e NO em músculo esquelético, culturas de células musculares e fibra muscular isolada são indicados como modelos experimentais.