Skeletal muscle and cardiac adaptations to swimming-induced exercise in adult zebrafish = Adaptacions del múscul esquelètic i cardiac a l'exercici per natació induïda en el peix zebra adult

Abstract

In mammals, regular exercise is related to important benefits for health by protecting from the development of cardiovascular diseases, stimulating the immune system by providing anti- inflammatory effects and maintaining glucose homeostasis, that is particularly relevant in diabetes. In the present study, the model species zebrafish (Danio rerio) has been used to investigate the physiological response to swimming-induced exercise. After four weeks of a swimming training protocol, we have observed a significant increase of the fiber area and increased capilarization of fast skeletal muscle. These cellular changes are accompanied by a transcriptomic response involving differentially regulated genes and pathways relevant for muscle growth, development, contraction, oxidative metabolism and angiogenesis. Also, mTOR signaling pathway, typically related to processes of muscular hypertrophy and in exercise in mammals, was activated concomitantly with an increase of expression of markers for cell proliferation. The activity of AMPK, a kinase that regulates multiple cellular processes including muscle glucose uptake or mitochondrial biogenesis, was increased by exercise, in conjunction with expression of pgc1a. These results suggest an adaptation towards a more oxidative metabolism of the fast skeletal muscle, similar to mammals. Also, a dynamic regulation of several “myokines" in the zebrafish fast muscle was observed over the training period. In mammals, muscle cells have the capacity to express factors of the immune system under certain stimuli. After stimulation with E.coli lipopolysaccharide, a notable expression of immune and muscle developmental genes has been observed in the fast muscle of previously exercised zebrafish. Nevertheless, survival of exercised zebrafish after an in vivo challenge with P. aeruginosa was not improved, suggesting that exercise did not stimulate zebrafish immune function under the tested conditions. Remarkably, zebrafish has the capacity to regenerate the heart completely after a cardiac injury. The results of this study suggests that exercise improves cardiac regeneration in view of the significant recovery of cardiac function and increased proliferation of cardiomyocytes that coincides with the induction of a specific transcriptomic response. In conclusion, this study shows that exercise in adult zebrafish promotes muscular and cardiac adaptations at the cellular and molecular level, and that these results can contribute to our knowledge of muscular, metabolic and cardiovascular diseases.

En mamífers l'exercici s'ha relacionat amb importants efectes fisiològics com protecció contra malalties cardiovasculars, estimulació del sistema immunitari proporcionant defenses antiinflamatòries, i el manteniment homeostàtic de la glucosa sobretot en casos de diabetis on es veu augmentada la sensibilitat a la insulina. En aquest estudi s'ha utilitzat l'espècie model Danio rerio, peix zebra, i mitjançant un protocol de natació s'ha induït l'exercici. Al cap de quatre setmanes de natació s'ha observat un augment significatiu de l'àrea de les fibres musculars i capil·larització del múscul esquelètic. Aquests canvis cel·lulars han estat acompanyats d'una resposta transcriptòmica amb una regulació diferencial de rellevants processos de senyalització relacionats amb creixement muscular, desenvolupament, contracció, metabolisme i angiogènesi. A més, la via de mTOR, característica en processos d'hipertròfia muscular en resposta a l'exercici, apareix activada conjuntament amb un augment de marcadors de proliferació cel·lular. És rellevant l'augment de l'activitat de AMPK, una quinasa reguladora de biogènesi mitocondrial, juntament amb l'augment de pgc1a. Conjuntament, aquests resultats suggereixen una adaptació del múscul a un estat més oxidatiu. S'ha observat una regulació dinàmica en el temps d'algunes "mioquines", factors descrits en mamífers de ser alliberats per les cèl·lules musculars que poden jugar un paper important en els efectes fisiològics de l'exercici. En mamífers les cel·lules musculars presenten una capacitat d'expressar factors del sistema immunitari sota determinats estímuls. Després d'una estimulació amb lipopolisacàrid, s'observa una expressió més notable de factors immunes i musculars en els músculs dels animals prèviament exercitats, però l'exercici no altera la supervivència després d'una infecció aguda amb P. aeruginosa. L'exercici en el peix zebra promou la proliferació dels cardiomiòcits i una tendència a creixement cardíac. El peix zebra té la capacitat de regenerar completament el cor. En un context de lesió cardíaca (simulant un infart de miocardi) l'exercici millora la recuperació de la funció cardíaca i indueix una resposta transcriptòmica que coincideix amb un augment de proliferació dels cardiomiòcits. En aquest estudi es conclou que l'exercici en el peix zebra promou adaptacions musculars i cardíaques a nivell cel·lular i molecular i el seu estudi pot contribuir en el coneixement de patologies musculars, metabòliques i cardiovasculars.