In vivo study of satellite cell addition and function in hypertrophying skeletal muscle

Skjelettmuskelcellene har mange cellekjerner. Det har vært antatt at hver kjerne kontrollerer proteinoppbyggingen i sitt område av muskelcellen, kalt det myonukleære domenet, og at et konstant nukleært domene opprettholdes under endringer i cellestørrelse. Dette innebærer at antall muskelkjerner øker under hypertrofi ved at stamceller, også kalt satellittceller, går inn i muskelcellen og bidrar dermed til en kjerneøkning. Mange studier har rapportert at antall muskelcellekjerner øker under hypertrofi, og det er derfor antatt at en økning i muskelcellekjerner er nødvendig for at en muskelfiber skal kunne vokse seg større. Et nyere studie på en modell der satellittcellene kan ablateres i voksne dyr, foreslår at muskelvekst kan foreligge uten økning i muskelkjerneantall. Det har derfor enda vært uklart om en økning i muskelkjerneantall er nødvendig for hypertrofi. I mine studier har jeg tatt i bruk denne modellen der satellittcellene kan ablateres i voksne dyr. Når disse dyrene blir utsatt for en synergistablasjon finner vi ingen hypertrofi eller kjerneøkning. Disse resultatene viser at satellittceller og innsetting av nye muskelkjerner er nødvendig for muskelvekst. Satellittceller er derfor ansvarlig både for vekst og regenerasjon av muskelcellene våre. For å videre studere nødvendigheten av satellittcellene dro jeg til Tom A. Rando lab på Stanford University, som er en av de fremste på satellittceller i verden. Her har jeg studert innsetting av satellittceller ved bruk av ulike transgene modeller der satellittcellene utrykker enten en fluoriserende reporter eller luciferase. Videre studerte jeg effekten av trening på satellittceller i eldre dyr. For disse studiene ble satellittceller isolert ved bruk av FACS, og vi har studert effekten av trening på muskelplastisitet i eldre dyr, og også molekylære studier av satellittcellen selv. Jeg utviklet også en metode der man kan isolere in vivo-fikserte satellittceller ved bruk av FACS. Funnene fra dette prosjektet gir ny innsikt i hvordan satellittceller antallet reguleres under hypertrofi og hvordan trening påvirker funksjonen til satellittcellene. Vi har vist at innsetting av satellittceller er nødvendig for å få hypertrofi. Videre har vi karakterisert hvilke endringer som skjer med satellittcellene på et molekylært nivå når man trener. Denne innsikten vil kunne brukes til å designe terapeutiske strategier for å motvirke tap av muskelmasse ved for eksempel aldring eller kroniske sykdommer, og utvikling av legemidler som kopierer effekten av trening. Muskelsvinn og satellittcelle-dysfunksjon skjer også i en rekke andre sykdommer som kreft, fedme, diabetes og kronisk lungesykdom. En grunnleggende forståelse for hvordan trening påvirker satellittcellefunksjon kan også peke mot strategier for å opprettholde muskelmasse i disse sykdommene.

Skeletal muscle fibres are multinucleated. It has been believed that each nucleus serve a certain amount of cytoplasm, and that a constant myonuclear domain is maintained during changes in fibre size. This implies that in order for fibres to increase in size, new nuclei are added through proliferation and fusion of satellite cells, and that atrophy is accompanied by loss of nuclei by apoptosis within intact fibres. Several studies investigating skeletal muscle atrophy have reported that the myonuclear number are reduced during atrophy. I have worked in the lab of Kristian Gundersen in Oslo where in vivo imaging techniques can be used to follow single myonuclei with time-lapse microscopy. Such techniques have revealed that myonuclei are not lost from muscle fibres during atrophy. But, I have participated in confirming that myonuclear number increase during hypertrophy and that increased number of myonuclei facilitate muscle hypertrophy. However, recent findings that muscle hypertrophy occurs in transgenic models were satellite cells are ablated, questions the idea that myonuclei are necessary for fiber hypertrophy. The effect of satellite cell ablation during hypertrophy were only investigated in short term studies and it is not known if such muscles remain fully functional over time or if the lack of nuclei from satellite cells is compensated for. I plan to study hypertrophy in transgenic mice where the satellite cells have been ablated, and to use advanced cloning techniques to develop a new transgenic mouse where satellite cells are visualized in vivo. By visiting foreign groups I will investigate the properties of hypertrophic muscles with few myonuclei by measuring muscle force in single fibres, protein turnover and protein quality. I also hypothesize that myonuclear mitosis or aneploidy might play a compensatory role in absence of satellite cells, and I will investigated this possibility with fluorescence in situ hybridization (FISH).