Training-induced increase in mitochondrial biogenesis

E’noto che l’allenamento aerobico migliora la capacità di utilizzazione dell’ossigeno da parte del muscolo. Questo fenomeno è correlato ad un aumento della densità e della funzionalità mitocondriale. La biogenesi e gli adattamenti mitocondriali sono un processo complesso mediato da varie vie di segnalazione e sembrano essere sensibili al tipo di esercizio fisico e all’ambiente intramuscolare. I cambiamenti nell’ambiente intramuscolare, in termini di alterazioni metaboliche e accumulo di substrati, possono essere influenzati da variazioni dell’equilibrio acido/base in risposta all’esercizio fisico. Studi recenti hanno dimostrato che alterazioni dell’equilibrio acido/base possono influenzare la regolazione degli adattamenti mitocondriali all’esercizio acuto; tuttavia, come questo fattore possa rispondere all’allenamento o come si correli all’adattamento delle prestazioni nell’uomo non è ancora stato chiarito. Similmente non sono chiari gli effetti dell’equilibrio acido/base sui meccanismi molecolari che regolano la biogenesi mitocondriale. Gli obiettivi di questa tesi sono quelli di definire le relazioni tra equilibrio acido/base, biogenesi mitocondriale e adattamento, oltre ad esplorare i meccanismi che regolano l’adattamento mitocondriale. Per realizzare questi obiettivi abbiamo intrapreso una serie di esperimenti. Inizialmente, sono stati utilizzati miotubi L6 in coltura per valutare le perturbazioni delle vie di segnalazione coinvolte nella biogenesi mitocondriale, come risultato di alterazioni dell’equilibrio acido/base solamente, o in combinazione con il lattato. Gli effetti combinati di lattato e abassamento del pH hanno dato una maggior effetto sulle vie di trasduzione analizzate che lattato o pH da soli. Questi risultati supportano osservazioni precedenti che propongono che il lattato sia un importante iniziatore di cascate di segnale per la trascrizione di geni coinvolti nella biogenesi mitocondriale. Inoltre indicano anche che la produzione di lattato indotta dall’esercizio e l’abbassamento di pH potrebbero essere importanti attivatori di segnali cellulari coinvolti nell’adattamento muscolare. In un secondo studio sono stati valutati gli effetti di una riduzione artificiale del pH sull’espressione di regolatori e geni target a valle coinvolti nella biogenesi mitocondriale in condizioni pre-e post-esercizio. I partecipanti hanno svolto un esercizio fisico intervallato ad elevata intensità in due diverse occasioni dopo aver ingerito ammonio cloruro o un placebo il giorno precedente e il giorno del test, in modo randomizzato e controbilanciato. Su biopsie ottenute dal muscolo vasto laterale prima, immediatamnete dopo l’esercizio fisico e durante la fase di recupero è stato determinato il livello dei trascritti di PCG-1α, citrato sintasi (CS), citocromo C (CYT-C), hexokinase II (HKII) e del trasportatore del glucosio 4 (GLUT-4). I risultati hanno mostrato che l’acidosi aumenta i livelli di espressione di PGC-1α e di gene target coinvolti nella biogenesi mitocondriale a riposo, ma abolisce il normale aumento di espressione dopo esercizio ad elevata intensità. Questi risultati indicano che un pH minore può influenzare la biogenesi mitocondriale indotta dall’esercizio. Infine uno studio basato su un allenamento intensivo è stato effettuato per determinare se bloccando l’acidosi indotta dall’esercizio durante l’allenamento vengano alterati gli adattamenti della funzionalità mitocondriale e le prestazioni. Quindi un’altro gruppo di partecipanti ha intrapreso un programma di allenamento intervallate ad elevata intensità, un protocollo noto per indurre un’aumento della biogenesi mitocondriale. I partecipanti sono stati abbinati sulla base della loro capacità aerobica e assegnati in modo casuale ad uno dei due differenti gruppi. Un gruppo ha ingerito sodio bicarbonato e l’altro gruppo ha ingerito un placebo prima di ogni sessione d’esercizio. Dati funzionali, campioni di sangue e biopsie sono stati raccolti prima e dopo il periodo di allenamento di sei settimane e valutati per eventuali variazioni nella capacità aerobica, concentrazione di metaboliti nel sangue e livelli di marcatori muscolari di funzionalità e biogenesi mitocondriale. Entrambi i gruppi hanno mostrato cambiamenti significativi nelle prestazioni e nelle misure fisiologiche in seguito al periodo di allenamento, tuttavia bloccando l’acidosi indotta dall’esercizio non si osservano significativi miglioramenti nell’adattamento a livello mitocondriale o nelle prestazioni in confronto alla condizione di placebo. Tuttavia è stato osservato un ampio grado di variabilità individuale nella risposta e una tendenza verso maggiori adattamenti riducendo l’acidosi indotta dall’esercizio fisico. Diversi studi hanno riportato che le vie di trasduzione vengono influenzate da alterazioni nell’equilibrio acido/base, da solo o in combinazione con il lattato. Le vie di segnalazione delle cellule muscolari e i geni correlati sono estremamente complessi e presentano molti punti di regolazione e di divergenza del segnale. Sebbene al momento il meccanismo esatto con cui l’equilibrio acido/base agisca nell’alterare le vie di trasduzione del segnalazione che regolano la funzionalità e la biogenesi mitocondriale e l’adattamento muscolare non siano stati definiti, questi studi mostrano che l’interazione di cambiamenti nella concentrazione di ioni idrogeno e l’accumulo e l’utilizzazione di substrati giocano un ruolo cruciale nell’adattamento mitocondriale in risposta all’allenamento.

Endurance training leads to an improved ability of muscle to utilize oxygen. This is related to an increased density and function of mitochondria. The biogenesis and adaptation of mitochondria is a complex process mediated by various signalling pathways and seems to be highly sensitive to the type of exercise and the local environment in the muscle. Changes in the muslce environment in terms of altered metabolism and substrate accumulation are affected by changes in acid/base balance in response to exercise. Recent studies have shown that changes in acid/base balance may affect the regulation of mitochondrial adaptation to acute exercise; however, how this responds to training and relates to performance adaptations in humans is unclear. Similarly, the effect of acid/base balance on molecular mechanisms underlying mitochondrial biogenesis is unclear. The objectives of this thesis were to examine the relationship between acid/base balance, mitochondrial biogenesis and adaptation and explore the mechanisms which regulate mitochondrial adaptation. To realize these aims a series of related investigations were undertaken. Initially, cultured L6 myotubes were used to assess perturbations of the signaling pathways involved in mitochondrial biogenesis, as a result of alterations in acid/base balance, alone and in combination with lactate. The combined effects of elevated lactate and lowered pH resulted in greater activation of signaling pathways than the effects of altering either lactate or pH alone. These results support previous findings that propose lactate as an important initiator of signaling cascades for the transcription of genes involved in mitochondrial biogenesis. Further, they also indicate that exercise-induced production of lactate and lowering of pH may be important activators of cell signaling involved in muscle adaptation. In a second study, the effects of artificially lowered pH on pre- and post-exercise expression of regulators and downstream target genes involved in mitochondrial biogenesis were assessed. Participants performed high-intensity interval exercise on two separate occasions, following the ingestion of either ammonium chloride or placebo the day before and on the day of the exercise trial in a randomised, counterbalanced order. The mRNA content of PGC-1α, citrate synthase (CS), cytochrome c (CYT-C), hexokinase II (HKII)and glucose transporter 4 (GLUT4) were determined in biopsies taken from the vastus lateralis muscle before, immediately after exercise and during recovery. Results indicated that acidosis increases the expression of PGC-1α and downstream target genes involved in mitochondrial biogenesis at rest, but suppresses the normal increased gene response following high-intensity exercise. These findings indicate that lowered pH may interfere with exercise-induced mitochondrial biogenesis. Finally an intensive training study was conducted to determine whether impeding exercise-induced acidosis during training alters adaptations in mitochondrial function and performance. Another group of participants undertook a six-week periodised high-intensity interval training programme, a protocol known to produce increases in mitochondrial biogenesis. Participants were matched for aerobic fitness and randomly assigned to one of two different training groups. One group ingested sodium bicarbonate and the other group ingested a placebo prior to each training session. Performance tests, blood and muscle biopsies were collected before and after the six week training period and assessed for changes in aerobic fitness, blood metabolites and muscle markers of mitochondrial function and biogenesis. Both training groups showed substantial changes in performance and physiological measures following the training period, however, suppressing exercise-induced acidosis during training did not significantly improve mitochondrial adaptations or performance in comparison to the placebo condition. However, there was a large degree of individual variation in the response and there were trends towards greater adaptations when exercise-induced acidosis was attenuated. The findings from these series of studies show that signaling cascades are influenced by alterations in acid/base balance, alone and in combination with lactate. Skeletal muscle cell-signalling and gene expression networks are extremely complex with multiple points of regulation and signal divergence. Although at this stage the exact mechanism by which acid/base balance plays a role in altering the signaling mechanisms which regulate mitochondrial function, biogenesis and muscle adaptation are unclear, these studies show that the interaction of altered hydrogen ion concentration and substrate accumulation and utilisation plays an important role in mitochondrial adaptation to training.