O treinamento intervalado de alta intensidade melhorou o declínio relacionado à idade nas mitocôndrias musculares

  • • O treinamento intervalado de alta intensidade melhorou o declínio relacionado à idade nas mitocôndrias musculares

  • • Como adaptações do treinamento ocorrem com o aumento de transcritos genéticos e proteínas do ribossomo

  • • Como as alterações no RNA com o treinamento tiveram pouca sobreposição com a quantidade de proteínas correspondentes

  • • Abundância ribossômica aprimorada e demonstração protéica explicada ganhos nas mitocôndrias

Sumário

Os transdutores moleculares de benefícios de diferentes variações de exercícios permanecem incompletamente necessários. Aqui estão as 12 semanas de intervalo aeróbico de alta intensidade (HIIT), resistência (TR) e treinamento físico combinado aumentado a sensibilidade à insulina e à massa magra, mas apenas o HIIT e o treinamento combinado melhorado para a capacidade aeróbica e a respiração mitocondrial do músculo esquelético. O HIIT revelou um aumento mais robusto dos transcritos genéticos do que outras aplicações de exercícios, principalmente em adultos mais velhos, embora tenha sido observado apenas pouca exposição com uma quantidade individual de alterações relacionadas. O HIIT reverte muitas diferenças relacionadas à idade no proteoma, particularmente as proteínas mitocondriais em conjunto com o aumento da exposição das proteínas mitocondriais. Tanto o RT quanto o HIIT aumentou como proteínas usadas nas máquinas de tradução, reduzidas da idade. Apenas pequenas alterações na metilação das regiões promotoras de DNA foram observadas. Fornece a utilização para um uso predominante no nível de tradução, melhorando a capacidade de tradução e a quantidade de proteínas protegidas para explicar os efeitos fenotípicos das funções mitocondrial e hipertrofia muscular em todas as idades.


Resumo Gráfico

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Introdução

Os benefícios para a saúde do exercício são indiscutíveis no combate aos riscos relacionados à idade para doenças e incapacidades (Myers et al., 2002) e entender os transdutores de tais benefícios é de alto interesse nacional (Neufer et al., 2015) O treinamento com exercícios aeróbicos leva ao remodelamento das proteínas do músculo esquelético e estimula várias etapas moleculares, incluindo a metilação do DNA (Barrès et al., 2012) e síntese de novas proteínas (Short et al., 2003) Muitos estudos demonstraram alterações no conteúdo de mRNA, mas a extensão em que as alterações transcricionais levam a alterações na abundância de proteínas permanece inconclusiva (Miller et al., 2016) Compreender a regulação das adaptações moleculares do músculo esquelético a diversos tipos de treinamento físico pode ajudar a desenvolver terapias direcionadas futuras e recomendações de exercícios. Existe uma lacuna no conhecimento sobre os efeitos da idade nas vias que regulam as adaptações ao exercício em resposta a diferentes modalidades de exercício.Diferentes tipos de exercício podem estimular respostas variáveis, mas específicas, nas funções musculares. O treinamento com exercícios aeróbicos aumenta a capacidade das enzimas oxidativas mitocondriais (Holloszy, 1967) e coincide com melhorias na sensibilidade à insulina com a idade (Lanza et al., 2008) Resta determinar se o declínio relacionado à idade na síntese de proteínas mitocondriais musculares (Rooyackers et al., 1996) é revertida pelo treinamento aeróbico. O treinamento intervalado aeróbico de alta intensidade (HIIT) envolve a repetição de breves períodos de atividade com intensidade quase máxima, o que aumenta rápida e robusta a capacidade aeróbica, a respiração mitocondrial e a sensibilidade à insulina em jovens (Burgomaster et al., 2008Irving et al., 2011) O treinamento resistido (TR) reverte a sarcopenia e declínios relacionados à idade nos transcritos de genes da cadeia pesada da miosina e nas taxas de síntese de proteínas musculares (Balagopal et al., 2001), mas não foram realizadas transcrições genéticas abrangentes e comparação de proteoma com treinamento aeróbico. O treinamento combinado (TC) oferece muitos benefícios, tanto do treinamento aeróbico quanto do treinamento de resistência, embora a intensidade dos componentes aeróbicos e de resistência seja menor do que os programas HIIT ou RT padrão (Irving et al., 2015) Menor intensidade de exercício pode limitar as adaptações do treinamento (Ross et al., 2015), particularmente das mitocôndrias (MacInnis et al., 2016) Uma abordagem abrangente para diferentes programas de exercícios e as adaptações fisiológicas e moleculares específicas e o impacto potencial da idade nessas adaptações ainda precisam ser determinadas.Realizamos fenotipagem metabólica e molecular abrangente de adultos jovens e idosos em resposta a 12 semanas de treinamento aeróbico (usando HIIT), TR e 12 semanas de um período sedentário, seguidas por TC de treinamento aeróbio de intensidade moderada e resistência. Essas medidas foram realizadas 72 horas após a última sessão de exercício para determinar especificamente o efeito do treinamento. Nossa hipótese foi de que o transcriptoma, a tradução e o proteoma do músculo esquelético aumentariam com o treinamento, e o padrão de respostas refletiria o tipo de modalidade de treinamento e alterações no fenótipo.O HIIT melhorou vigorosamente a aptidão cardio-respiratória, a sensibilidade à insulina, a respiração mitocondrial e a massa livre de gordura (MLG) em ambos os grupos etários. O TR melhorou a sensibilidade da MLG e da insulina em ambos os grupos etários, enquanto a TC obteve ganhos menores, talvez devido a diferenças na intensidade do treinamento. O sequenciamento de RNA das biópsias musculares revelou aumentos robustos na expressão do mRNA com HIIT, mais do que na RT ou na CT, principalmente nos transcritos mitocondriais. A proteômica quantitativa em resposta ao HIIT revelou alterações proteômicas maiores, particularmente nas proteínas mitocondriais e ribossômicas, bem como a reversão de muitas alterações relacionadas à idade. Relatamos alterações relativamente pequenas (<10%) na metilação das regiões promotoras de DNA e baixa sobreposição entre alterações transcricionais e proteômicas. Portanto,

Resultados e discussão

 Visão geral do estudo

O estudo prospectivo de treinamento com exercícios ( Figura 1 ) foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional da Mayo Clinic, registrado em https://clinicaltrials.gov(# NCT01477164) e conduzida de acordo com a Declaração de Helsinque. Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito. Os participantes foram recrutados em dois grupos etários distintos: jovens (18 a 30 anos) ou mais velhos (65 a 80 anos), com o objetivo de igual número de homens e mulheres. Os grupos finais foram aproximadamente equilibrados quanto ao sexo, e todas as mulheres no grupo mais velho estavam na pós-menopausa. Os critérios de exclusão foram: exercício regular estruturado (> 20 min, duas vezes por semana), doença cardiovascular, doenças metabólicas (diabetes mellitus tipo 2, glicemia em jejum> 110 mg / dL e hipotireoidismo ou hipertireoidismo não tratado), doença renal, alto índice de massa corporal ( IMC> 32 kg / m 2), dispositivos metálicos implantados, gravidez, tabagismo e histórico de distúrbios da coagulação do sangue. Os medicamentos de exclusão incluíram anticoagulantes, insulina, sensibilizadores de insulina, corticosteróides, sulfonilureias, barbitúricos, agonistas γ do receptor ativado por proliferador de peroxissomo, bloqueadores β, opiáceos e antidepressivos tricíclicos.

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Figura 1 Recrutamento do estudoMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

Após as medições da linha de base, os participantes foram randomizados em três grupos (HIIT, RT ou CT) usando gRand (v1.1, Peter A. Charpentier), seguindo uma estratégia de bloqueio permutado com comprimento de bloco de 15 e 2 fatores (idade e sexo). O HIIT foi de 3 dias por semana de bicicleta (4 × 4 min a> 90% do pico de consumo de oxigênio [VO 2 pico ] com 3 min de pedalada sem carga) e 2 dias por semana de caminhada em esteira (45 min a 70% do VO 2 pico ). O TR consistiu em exercícios da parte inferior e superior do corpo (4 séries de 8 a 12 repetições) 2 dias por semana. Os participantes da TC foram submetidos a um período sedentário de 12 semanas (SED) e usaram acelerômetros para registrar qualquer atividade estruturada. Após o SED, os participantes foram submetidos a estudos metabólicos e iniciaram a TC de 5 dias por semana em ciclismo (30 min a 70% do VO 2 pico) e 4 dias por semana com levantamento de peso com menos repetições que a RT. Os estudos de base e pós-treinamento foram realizados em todos os participantes.As características dos sujeitos da linha de base mostram que os participantes mais velhos apresentaram maior porcentagem de gordura corporal, IMC e concentrações de glicose no plasma em jejum, apesar das concentrações semelhantes de insulina em jejum ( Tabela 1 ). Durante o treinamento, o gasto energético semanal do exercício em kcal por MLG foi mais alto com HIIT (Young: 26 ± 3; Mais velho: 18,5 ± 2, p <0,001), seguido por TC (Young: 22,8 ± 2; Mais velho 16,9 ± 1, p <0,05) e menor com TR (Young: 9,6 ± 2; Mais 7,3 ± 1, p <0,0001). Todas as comparações de linha de base são médias ± DP.Tabela 1 Diferenças da linha de base entre participantes jovens e idosos

JovemMais velhoANOVA valor p
HIITResistênciaCombinadoHIITResistênciaCombinadoEraGrupoIdade × Grupo
N14 (7 M / 7 F)11 (5 M / 6 F)9 (5 M / 4 F)9 (4 M / 5 F)9 (5 M / 4 F)8 (5 M / 3 F)N / DN / DN / D
Era25,4 y (4,3 y)23,7 anos (3,5 anos)26,3 y (2,7 y)70,7 y (4,6 y)70,3 y (3,9 y)68,6 anos (3,4 anos)N / DN / DN / D
Altura174,5 cm (6,9 cm)172,3 cm (14 cm)173,4 cm (8,7 cm)170,7 cm (10,7 cm)168,9 cm (10,8 cm)169,5 cm (9,7 cm)0,14580,87450,9987
Peso75 kg (9,7 kg)73,8 kg (14,3 kg)77,9 kg (17,1 kg)80,3 kg (17 kg)76,4 kg (13,7 kg)77 kg (16 kg)0,55340,84750,8041
IMC24,6 kg / m 2 (2,3 kg / m 2 )24,7 kg / m 2 (2,7 kg / m 2 )25,6 kg / m 2 (3,3 kg / m 2 )27,3 kg / m 2 (3,3 kg / m 2 )26,6 kg / m 2 (2 kg / m 2 )26,6 kg / m 2 (3,8 kg / m 2 )0,01380,83770,6606
Corpo gordo33,5% (7,1%)28,3% (8,9%)31,9% (4,7%)36,2% (4,6%)38,5% (4,5%)37,9% (6,1%)0,00020,55530,1088
Insulina em jejum5,6 μIU / mL (2 μIU / mL)5,7 μIU / mL (3,8 μIU / mL)5,5 μIU / mL (2,6 μIU / mL)5 μIU / mL (3,1 μIU / mL)5,8 μIU / mL (2,1 μIU / mL)4,3 μIU / mL (1,8 μIU / mL)0,56980.81850,4807
Glicose em jejum97 mg / dL (4 mg / dL)96 mg / dL (6 mg / dL)96 mg / dL (7 mg / dL)104 mg / dL (11 mg / dL)103 mg / dL (10 mg / dL)105 mg / dL (8 mg / dL)0,00030,64460,9092

A composição corporal foi medida por absorciometria de dupla energia por raios-X. Os dados são médios com SD. IMC, índice de massa corporal; MLG, massa livre de gordura; HIIT, treinamento intervalado de alta intensidade; N / A, não aplicável.

 Aptidão respiratória cardiovascular, massa muscular e sensibilidade à insulina melhoram com o treinamento

pico do VO 2 durante um teste ergométrico foi determinado no início e após o treinamento. Houve alta correlação (r 2  = 0,988, p <0,0001) e baixa variabilidade entre o pico de VO 2 pré e pós-SED , embora as medições tenham sido separadas por 12 semanas (Young: Pre = 2.643 ± 649, Post = 2.517 ± 603 ; Antigo: Pré = 1.646 ± 567, Pós = 1.627 ± 550 mL / min, Figura S7 ). A relação de troca respiratória (RER) para o grupo SED também foi consistente tanto para jovens (pré: 1,2 ± 0,1, pós: 1,2 ± 0,1) quanto para idosos (pré: 1,2 ± 0,1, pós: 1,2 ± 0,1), indicando que o VO 2 as medições de pico foram realizadas em condições idênticas.Comparados aos jovens, os adultos mais velhos apresentaram pico de VO2 ∼30% menor em relação ao peso corporal ( Figura 2 A). O pico absoluto de VO 2 (mL / min) aumentou significativamente no grupo mais jovem após o HIIT (média [IC95%]: +637 [462–812] p <0,0001) com aumento menor, porém significativo, da TR (+185 [1–368 ] p = 0,048) e CT (+429 [223-634] p = 0,0001). No grupo mais antigo, o pico absoluto de VO 2 também aumentou após HIIT (278 [72–483] p = 0,0091) e CT (+295 [75–514] p = 0,0096); no entanto, o aumento no pico absoluto do VO 2 do grupo TR mais antigo não atingiu significância estatística (+203 [-3-940] p = 0,053). No grupo jovem, o HIIT produziu o maior aumento de ∼28% no VO relativo pico 2(+8,3 [6,2-10,3] p <0,0001 mL / kgBW / min), seguido por ± 17% com TC (+5,3 [2,9-7,6] p <0,0001) ( Figura 2 B) sem aumento significativo na TR. No grupo mais velho, o pico relativo do VO 2 aumentou ± 17% com HIIT (+3,5 [1,2–5,9] p = 0,0042) e ± 21% com CT (+4,4 [1,8–6,9] p = 0,0011) sem nenhuma alteração significativa após RT (+2,3 [-0,1–4,6] p = 0,06) ( Figura 2 B).

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Figura 2 Diferenças da linha de base e do treinamento em condicionamento aeróbico, massa muscular esquelética e sensibilidade à insulinaMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

A fragilidade com a idade se deve em grande parte à perda de massa muscular e à fraqueza ou sarcopenia (Goodpaster et al., 2006) Os declínios na MLG e a qualidade muscular (por exemplo, força por massa muscular) com a idade contribuem para a diminuição da capacidade de exercício (Delmonico et al., 2009) Investigamos a resposta da massa e qualidade muscular a diferentes modalidades de exercício. A MLG de corpo inteiro na linha de base foi semelhante entre os grupos jovens e mais velhos ( Figura 2 C). A MLG de corpo inteiro aumentou em todos os grupos de treinamento, com o maior aumento na TR jovem (2,2 kg; + 4%, p <0,0001; Figura 2 D). A força da perna foi menor em humanos mais velhos em termos absolutos ou em relação à MLG da perna ( Figura 2 E, Young: 15,8 ± 3,8, Mais antiga: 13 ± 4,1 máxima de uma repetição [1RM] / kg perna MLG, p = 0,017), sugerindo menor qualidade muscular com a idade. Os grupos de treinamento com treinamento resistido (TR e CT) aumentaram a força da perna por alteração na massa da perna, indicando um aumento na capacidade de uma determinada massa muscular de produzir força ( Figura 2F) A força das pernas não mudou significativamente com o HIIT, possivelmente devido à especificidade do treinamento associada ao ciclismo versus exercícios de leg press. Alternativamente, o aumento da força foi relacionado ao aumento da massa muscular. Esses resultados demonstram que tanto a força quanto a massa muscular melhoraram fortemente com a TC e a TR em adultos jovens e idosos. Coletivamente, os ganhos na MLG de corpo inteiro sugerem que um estímulo aeróbico de alta intensidade pode induzir adaptações aeróbicas e de hipertrofia.A intensidade do exercício é uma forte influência nas adaptações. A TC apresentou componentes aeróbicos e de resistência de menor intensidade do que HIIT e RT, respectivamente. As abordagens para melhorar as respostas ao exercício terão benefícios positivos para a saúde pública e o aumento da intensidade do exercício pode aumentar o número de respondedores ao exercício (Ross et al., 2015) Um trabalho anterior em adultos mais jovens demonstrou que 12 semanas de HIIT aumentaram o pico de VO 2 e a atividade da citrato sintase do músculo em uma extensão semelhante à maior duração do treinamento com exercícios aeróbicos de menor intensidade (Gillen et al., 2016) Demonstramos que o HIIT é uma abordagem viável para aumentar a intensidade do exercício em adultos jovens e idosos. Adultos mais jovens demonstraram aumento mais robusto do pico do VO 2 em resposta ao HIIT, diferentemente dos idosos que responderam igualmente ao HIIT e à TC ( Figura 2 B).Os idosos correm risco de desenvolver resistência à insulina associada ao estilo de vida sedentário e ganhos de adiposidade (Karakelides et al., 2010) O exercício pode melhorar a sensibilidade à insulina, e procuramos definir claramente o efeito da idade em diferentes tipos de treinamento físico e a idade na sensibilidade à insulina. Para isso, nós medimos a sensibilidade à insulina periférica, como a taxa de glicose de desaparecimento (R d [taxa de glicose de desaparecimento] umol / kgFFM / min) durante um período de dois fase pinça hiperinsulinémica-euglicémica (glucose média ± SD estado estável foi de 88 ± 6 mg / dL) na linha de base e após o treinamento físico em todos os grupos ( Figuras S1 e S3 ). No início do estudo, adultos jovens e idosos apresentaram sensibilidade à insulina semelhante ( Figura 2 G). A RD aumentou em todos os grupos de treinamento, exceto na TC mais antiga ( Figura 2 H). A insulina e a glicemia de jejum não mudaram com o treinamento em nenhum dos grupos etários (Figura S1 ). Os destinos predominantes da glicose no músculo esquelético são oxidativos como combustível ou não oxidativos para armazenamento como glicogênio. O descarte não oxidativo de glicose aumentou com o treinamento ( Figura S3 ), indicando maior armazenamento do que oxidação, o que é uma adaptação útil do treinamento para promover o desempenho do exercício. Esses resultados são consistentes com um estudo transversal anterior, mostrando que adultos mais velhos e mais jovens cronicamente treinados têm medidas semelhantes de sensibilidade à insulina (Lanza et al., 2008) Não detectamos nenhuma alteração na sensibilidade à insulina hepática ( Figuras S2 e S3 ), indicando que as melhorias foram predominantemente no metabolismo do músculo esquelético, sugerindo que os dados transversais anteriores mostrando maior sensibilidade à insulina para a produção endógena de glicose representam longo prazo (≥4 anos) efeito do treinamento físico (Lanza et al., 2008)

 Declínio mitocondrial com idade e melhora com treinamento

Um efeito importante do exercício no metabolismo do músculo esquelético é a capacidade oxidativa mitocondrial. Os declínios no conteúdo mitocondrial com a idade estão intimamente ligados à redução da aptidão cardiorrespiratória (Short et al., 2005) A diminuição da produção de ATP mitocondrial em repouso tem sido implicada no desenvolvimento da resistência à insulina com o envelhecimento (Petersen et al., 2003) De fato, uma relação entre estados resistentes à insulina e diminuição das enzimas oxidativas no músculo esquelético foi relatada anteriormente na obesidade e no diabetes tipo 2 (Simoneau e Kelley, 1997) No entanto, essa relação nem sempre é observada (Karakelides et al., 2010) Investigamos os efeitos do envelhecimento e do treinamento físico em mitocôndrias isoladas de amostras de biópsia do músculo esquelético coletadas no estado de repouso e jejum e, em seguida, determinamos o consumo máximo de oxigênio mitocondrial por respirometria de alta resolução.No início, a respiração máxima foi menor em adultos mais velhos em comparação aos jovens para os complexos respiratórios (Complexo I + II, exibido nas Figuras 3 A e 3C), expresso em unidades absolutas ou normalizadas para o conteúdo de proteínas mitocondriais. O HIIT aumentou a respiração mitocondrial absoluta máxima em adultos jovens (+ 49%) e idosos (+ 69%), enquanto um aumento significativo após a TC foi observado em jovens (+ 38%), mas não em idosos ( Figuras 3 B e 3D). RT não aumentou significativamente a respiração mitocondrial em nenhum dos grupos etários. As funções intrínsecas das mitocôndrias, incluindo a eficiência do acoplamento e a produção reativa de espécies de oxigênio, não foram diferentes entre as faixas etárias ou em resposta ao treinamento ( Figuras S4A – S4D). Adultos mais velhos apresentaram menor número de cópias de mtDNA quando normalizados para nDNA, consistente com um declínio no conteúdo de mitocôndrias com a idade ( Figura S4 E). HIIT e RT aumentaram o conteúdo de mtDNA em adultos mais velhos, com ganhos não significativos após a TC ( Figura S4 F).

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Figura 3 Diferenças da linha de base e do treinamento nas taxas de respiração das mitocôndrias do músculo esquelético e síntese de proteínasMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

Coletivamente, os dados mitocondriais em nossa coorte de adultos sedentários, mas saudáveis, indicam que uma alteração no conteúdo de proteínas mitocondriais contribuiu predominantemente para a perda da capacidade respiratória mitocondrial com a idade e ganhos com o treinamento. Não houve diferença na sensibilidade à insulina no início do estudo, apesar das diferenças na respiração mitocondrial. Esses resultados estão de acordo com o nosso trabalho anterior, mostrando que as diferenças na sensibilidade à insulina estão mais relacionadas a alterações no status do exercício e na adiposidade do que na capacidade mitocondrial (Karakelides et al., 2010) A resistência à insulina está associada à diminuição da eficiência da cadeia respiratória mitocondrial e ao aumento da produção de espécies reativas de oxigênio (ERO) (Anderson et al., 2009), que pode ser restaurada em mulheres resistentes à insulina por treinamento aeróbico àquelas de um fenótipo magro (Konopka et al., 2015) Nosso estudo atual de idosos saudáveis ​​com sensibilidade à insulina semelhante aos adultos mais jovens não mostrou diferença na eficiência da cadeia respiratória ou na produção de ERO, apesar da menor capacidade mitocondrial do que o grupo mais jovem, apoiando uma noção de que a sensibilidade reduzida à insulina não está associada à eficiência reduzida do acoplamento mitocondrial.

 O treinamento físico melhora a expressão do gene do músculo esquelético, independentemente da idade

Investigamos até que ponto as mudanças no mRNA coincidiram com os fenótipos para entender melhor a regulação das alterações do músculo esquelético com a idade e as adaptações ao exercício. Realizamos o sequenciamento de RNA nas biópsias dos músculos esqueléticos basal e pós-exercício para avaliar se os níveis de transcrição são responsáveis ​​pelo envelhecimento ou fenótipos de treinamento das mitocôndrias, hipertrofia muscular e sensibilidade à insulina. Na linha de base, quando comparado aos jovens, 267 transcritos genéticos eram mais baixos e 166 eram mais altos em pessoas mais velhas ( Figura S5 A). Vários genes relacionados à mitocôndria, sinalização da insulina e crescimento muscular foram desregulados com a idade ( Figura S5UMA). Em contraste, entre todos os regimes de treinamento, o HIIT aumentou a expressão do maior número de genes em jovens e idosos, especialmente nas vias mitocondrial, de crescimento muscular e de sinalização de insulina em adultos mais velhos ( Figuras 4 A e 4B). No passado, o HIIT aumentou 22 genes mitocondriais, incluindo aqueles envolvidos na regulação da tradução (ribossomos MT-RNR1 e 2 ) e tRNA transferase mitocondrial para metionina ( MT-TG ), leucina ( MT-TL1 ), valina ( MT-TV ), glicina ( MT-TG ) e arginina ( MT-TR ). Quando comparado ao HIIT, o TR aumentou 35% e 70% menos genes em jovens e idosos, respectivamente ( Figuras 4C e 4D) e CT aumentaram 28% e 84% menos genes em jovens e idosos, respectivamente ( Figuras 4 E e 4F). Esses dados demonstram uma resposta variada dos transcritos de genes com base no modo de exercício entre adultos jovens e idosos, e o maior aumento foi após o HIIT em adultos mais velhos.

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Figura 4 Alterações na expressão de genes musculares com o treinamento físicoMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

Em seguida, determinamos se os conjuntos de genes induzidos pelo treinamento são específicos para os modos de treinamento em adultos jovens e idosos.

 Os jovens tinham 274, 74 e 170 genes aumentados exclusivamente por HIIT, RT e CT, respectivamente ( Figura 4 G). 

Os mais velhos tinham 396, 33 e 19 genes aumentados exclusivamente por HIIT, RT e CT, respectivamente ( Figura 4H)

 Tomados em conjunto, esses dados mostram que o HIIT induziu a maior alteração na expressão gênica, independentemente da idade. Em adultos mais velhos, as alterações na expressão gênica com HIIT substituem completamente as alterações de CT e RT. 

Dado que o HIIT mais antigo produziu a maior alteração na expressão gênica, avaliamos se esses genes eram únicos ou se sobrepunham aos grupos de treinamento mais jovens. 

Um terço dos genes HIIT mais antigos (181 de 553) também foram compartilhados pelo grupo jovem HIIT, e 114 deles foram compartilhados com os grupos jovens de RT e CT ( Figura 4 I). 

Outro terço dos genes HIIT mais antigos era exclusivo desse grupo (186 de 553; Figura 4 I). Tomados em conjunto, esses dados sugerem que uma grande parte dos genes HIIT mais antigos é específica para a idade.

O HIIT teve um efeito robusto no aumento do conteúdo de transcrições de genes, e consideramos a seguir se o treinamento em indivíduos mais velhos reverteu a perda de transcrições de genes musculares relacionada à idade, contribuindo potencialmente para alterações nos fenótipos metabólicos. 

Para testar isso, classificamos as alterações transcritas dos genes da linha de base jovens versus velhas, da mais regulada para a mais subregulada com a idade. Uma análise de enriquecimento de conjunto de genes (GSEA) foi realizada usando genes que foram regulados com HIIT antigo ( Figura 4 J) ou HIIT jovem ( Figura S5 B). 

Observamos que a maioria dos genes que foram regulados com HIIT em ambos os grupos também foi regulada com a idade (taxa de descoberta falsa de enriquecimento [FDR] = 0,0169 para o HIIT antigo e FDR <0,0001 para o jovem HIIT).

Quadro S1mostra a relação de expressão de genes individuais que eram diferentes com a idade no início e depois alterados após o HIIT no passado. Esses dados sustentam a hipótese de que o HIIT tem maior probabilidade de aumentar a expressão de genes que também aumentam com a idade. 

Havia 11 genes que diminuíram significativamente em adultos mais velhos e, em seguida, foram regulados positivamente no HIIT mais velho ( Tabela S1 ), indicando que o HIIT reverteu alguns genes específicos que foram diminuídos com a idade. 

Coletivamente, a sobreposição de genes e a GSEA demonstram que o treinamento físico não reverteu todos os declínios relacionados à idade nos transcritos de genes em si, mas induziu padrões específicos de genes em adultos jovens e idosos.

Finalmente, estávamos interessados ​​em saber se existe um grupo comum de genes que são regulados positivamente em todos os tipos de treinamento físico e em ambos os grupos etários (isto é, um conjunto universal de genes induzido pelo treinamento). Um total de 55 genes foram regulados em todos os tipos de treinamento e em ambos os grupos etários ( Tabela S2 ). 

A análise da ontologia genética revelou que esses genes estão envolvidos principalmente na angiogênese e na regulação da angiogênese ( Figura 4 K; Tabela S3 ). 

Uma análise reguladora a montante do conjunto universal de genes identificou os principais reguladores transcricionais, como fator de crescimento endotelial vascular, angiotensinogênio, fator de crescimento de fibroblastos e subunidade de 10 receptores de interleucina ( Figura 4 L; Tabela S4)

 Tomados em conjunto, o conjunto de genes do treinamento físico universal envolve remodelação cardiovascular entre treinamento e faixas etárias.

 A metilação do músculo esquelético não é significativamente afetada pelo treinamento

Queríamos testar se as alterações transcricionais induzidas pelo treinamento físico observadas estão relacionadas à metilação do DNA. Estudos anteriores mostram que exercícios agudos podem alterar a metilação do DNA (Barrès et al., 2012) e influenciam a expressão do mRNA; no entanto, os efeitos do treinamento físico são menos conhecidos. A análise global de metilação do DNA foi realizada no início e após o treinamento físico em todos os grupos. 

Na linha de base, um total de 3.874 locais de CpG promotores foram metilados diferencialmente entre grupos jovens e idosos ( Figura S6 ). 

No entanto, observamos alterações estatisticamente insignificantes na metilação do promotor de genes devido ao treinamento físico em ambos os grupos etários ( Figura S6 ). Esses dados mostram que as grandes alterações na expressão gênica observadas após 12 semanas de treinamento não são totalmente explicadas por uma mudança simultânea na metilação do promotor gênico.

Trabalhos anteriores foram capazes de detectar uma diminuição de ± 10% (p <0,05) na metilação do DNA dentro de 20 minutos do exercício agudo (Barrès et al., 2012) Nitert et al. também relataram alterações na metilação do DNA dentro de 48 horas após o exercício após 6 meses de treinamento aeróbico de menor intensidade em adultos de meia idade (Nitert et al., 2012

As mudanças agudas na metilação coincidem com os estudos ao longo do tempo, mostrando o pico de conteúdo de mRNA várias horas após o exercício, seguido de um retorno geral à linha de base às 24 horas (Louis et al., 2007)

 O estudo atual demonstrou alterações relativamente pequenas (<10%) na metilação do DNA em comparação com um aumento mais substancial no conteúdo de mRNA após o treinamento físico, enquanto estudos de outros demonstram alterações na metilação do DNA em genes selecionados usando tempos mais curtos para a amostragem de biópsia (Barrès et al., 2012) ou intervenções de treinamento mais longas (Nitert et al., 2012

Não podemos excluir a possibilidade de alterações agudas na metilação do DNA, como mostrado por outros (Barrès et al., 2012), que podem contribuir para alterações dinâmicas na transcrição, mas nossos resultados não mostram diferenças robustas na metilação do DNA em 72 horas.

 Treinamento induz alterações de expressão em todo o proteoma no músculo esquelético

O exercício exerce influência generalizada em muitas proteínas musculares , ainda existe controvérsia em relação à regulação transcricional e translacional das adaptações ao exercício. O mRNA induzido pelo exercício não se traduz necessariamente em alterações proteômicas

Por isso, estávamos interessados ​​em determinar a sobreposição entre o RNAm e a abundância de proteínas às 72 horas após o exercício. 

O grupo CT não foi incluído na análise devido a alterações atenuadas da expressão gênica. Foi realizada uma análise proteômica baseada em intensidade, livre de marcadores, para detectar proteínas diferencialmente expressas nas amostras musculares basais e pós-intervenção, com significância no valor de p ajustado ≤ 0,05 e alteração absoluta do log2 vezes ≥ 0,5. 

O grupo SED apresentou baixa variabilidade no período de controle com apenas cinco proteínas reguladas, sustentando que as mudanças que observamos nos grupos de exercícios não eram mudanças relacionadas ao tempo, mas ocorreram em resposta ao exercício. 

Também consideramos as vias de genes e proteínas que foram expressas com o treinamento físico para fornecer informações sobre possíveis mecanismos reguladores.

A análise proteômica da linha de base revelou menor abundância de proteínas em adultos mais velhos para muitas proteínas, mas especificamente de 33 proteínas mitocondriais ( Figura 5 A), o que é consistente com a capacidade respiratória mitocondrial diminuída no grupo mais velho na linha de base. A abundância de proteínas mitocondriais aumentou após a RT em jovens e idosos ( Figuras 5 B e 5C), mas o HIIT produziu o maior aumento na abundância de proteínas, principalmente nos idosos ( Figuras 5D e 5E), o que foi consistente com as grandes alterações nos transcritos genéticos nos idosos com HIIT. O HIIT no grupo mais antigo induziu caminhos que refletem um fenótipo oxidativo, enquanto o HIIT e o RT induziram caminhos relacionados à tradução de proteínas, incluindo a biossíntese de aminoacil-tRNA e a aminoacilação de tRNA (Tabela S5 ). 

Das proteínas que mudaram com o treinamento, apenas 35 nos mais jovens e 38 nos mais velhos foram reguladas simultaneamente tanto no HIIT quanto no TR ( Figuras 5 F e 5G).

 Os ganhos na abundância de proteínas mitocondriais ocorreram apesar das mudanças relativamente menores no mRNA (compare às Figuras 4 B-4D) e demonstram uma dissociação entre o mRNA e a abundância de proteínas.

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Figura 5 Abundância de proteínas musculares com a idade e alterações com o treinamento físicoMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

Nossos dados sugerem que o treinamento físico em humanos mais velhos pode induzir uma forte regulação positiva das proteínas mitocondriais, predominantemente com HIIT. Além disso, a RT regulou um conjunto diferente de proteínas que o HIIT no grupo mais velho, o que contrasta com a alta sobreposição ( Figura 4H) entre genes induzidos em HIIT e RT mais antigos. Assim, houve uma dissociação entre as alterações proteômicas em comparação com o transcriptoma.

 Combinados com o aumento das taxas de síntese de proteínas e o mecanismo de tradução geral, nossos dados indicam uma robusta regulação pós-transcricional da abundância de proteínas com o treinamento físico. 

As vias comuns que foram induzidas em todos os grupos de treinamento têm um papel importante na tradução de proteínas, incluindo a aminoacilação do tRNA e a síntese de aminoácidos de cadeia ramificada, bem como a regulação positiva das proteínas ribossômicas. 

Coletivamente, esses aumentos são consistentes com o aumento da capacidade de tradução de proteínas e, em seguida, consideramos se as alterações no mRNA eram consistentes com as alterações na abundância de proteínas.

Consideramos se as alterações na taxa de síntese de proteínas mitocondriais poderiam contribuir para as alterações no proteoma mitocondrial, na respiração ou no conteúdo de DNA. 

Utilizamos uma abordagem estável baseada em marcador isotópico para medir as taxas de síntese protéica das mitocôndrias do músculo esquelético. No início do estudo, não houve diferença nas taxas de síntese protéica entre grupos jovens e idosos ( Figura 3 E). HIIT aumentou (p <0,05) a síntese proteica mitocondrial em jovens e idosos. RT e CT também aumentaram a síntese de proteínas mitocondriais em adultos mais velhos, mas não mais jovens ( Figura 3F) O aumento na síntese protéica mitocondrial entre os grupos de treinamento em idosos demonstrou que as adaptações mitocondriais ocorreram com os protocolos de treinamento aeróbico e de resistência. 

O aumento nas taxas de síntese protéica indica maior tradução das proteínas mitocondriais e é consistente com os resultados do proteoma mitocondrial.Dos 553 mRNA e 267 proteínas que aumentaram com HIIT nos adultos mais velhos, apenas 12 aumentaram nos níveis de mRNA e de proteína. 

A discrepância indica que as alterações no mRNA não necessariamente levam a alterações na abundância de proteínas. No nível do mRNA, os genes envolvidos na tradução de proteínas e no catabolismo de proteínas foram significativamente reduzidos após o treinamento no HIIT mais antigo ( Figura 6 A).

 No entanto, no nível das proteínas, a análise de vias revelou que as proteínas envolvidas com o envelope mitocondrial e a biogênese mitocondrial aumentaram com o HIIT ( Figura 6 B). 

Uma lista de vias mitocondriais adicionais está incluída no Tabela S6. Trabalhos anteriores em homens mais jovens identificaram 31 proteínas diferencialmente expressas que estão envolvidas na respiração e no ciclo do ácido cítrico após 7 dias de treinamento aeróbico (Egan et al., 2011) Nossos resultados fornecem evidências de que os ganhos do proteoma mitocondrial ocorrem em resposta ao treinamento aeróbico e de resistência, e a resposta ao treinamento persiste com maior duração do treinamento, envolvendo a regulação positiva do mecanismo de translação, incluindo proteínas ribossômicas, organização mitocondrial e biogênese (síntese). De interesse, essas alterações ocorrem de maneira robusta em adultos mais velhos que reduziram a biogênese mitocondrial (Rooyackers et al., 1996) e abundância de proteoma (Short et al., 2005)

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Figura 6 Regulação negativa do mRNA enquanto a abundância de proteínas aumentou para a proteína mitocondrial e ribossômica com HIIT em idososMostrar legenda completaVer imagem ampliadaVisualizador de figuraDownload da imagem em alta resoluçãoDownload (PPT)

A dissociação entre proteoma e transcriptoma pode ser explicada com base em muitos fatores. Existem questões técnicas na comparação do proteoma baseado em espectrometria de massa e transcriptoma baseado em seqüenciamento de RNA com sensibilidade variável e precisões dessas medidas. Muitos transcriptomas que podem melhorar após exercícios agudos podem contribuir para a tradução de proteínas, e esses transcritos podem não mostrar aumento às 72 horas após o exercício. Em outras palavras, a meia-vida do transcriptoma e do proteoma pode ser diferente. Além disso, a abundância de proteínas também é influenciada pela degradação de proteínas. De fato, o exercício resistido aumenta a ativação das vias do ubiquitina proteassoma e do lisossoma da autofagia que regulam a degradação de proteínas em adultos jovens e idosos, particularmente algumas horas após o exercício Fry et al., 2013

No entanto, medir a ativação de tais vias não fornece informações nas quais as proteínas individuais estão sendo degradadas. 

Não podemos excluir a possibilidade de que alterações na degradação de proteínas individuais tenham ocorrido com o exercício e, portanto, possam influenciar a dissociação entre o conteúdo de mRNA e a abundância de proteínas.

No nível da proteína, as proteínas ribossômicas foram significativamente aumentadas no HIIT antigo e, em menor grau, no TR antigo ( Figura 6 C; Tabela S7 ) e fornecem um mecanismo para contribuir para o aumento da síntese protéica mitocondrial.

 Aumentos na síntese protéica e subsequente melhora na renovação protéica podem proporcionar um efeito protetor contra o acúmulo de proteínas com modificações pós-traducionais irreversíveis. Consistentemente, observou-se uma oxidação e desamidação proteica significativamente menores após o treinamento no HIIT antigo e no TR antigo quando comparado ao grupo SED antigo ( Figura 6D) 

Todos esses dados apóiam a hipótese de que as alterações observadas na abundância de proteínas após o treinamento físico foram provavelmente mais devidas à regulação da tradução do que à transcrição.

Conclusão

Avaliamos os efeitos de três modalidades diferentes de exercício nas adaptações musculares esqueléticas em adultos jovens e idosos e explicamos com base nas alterações no transcriptoma, na regulação da tradução e na abundância de proteoma. 

O treinamento HIIT em adultos jovens e idosos aumentou o pico de VO 2 , sensibilidade à insulina, respiração mitocondrial, MLG e força muscular. Em contraste, a RT aumentou a sensibilidade à insulina e a MLG, mas não o VO 2 pico ou a função mitocondrial. 

A TC envolveu menor intensidade do que os grupos HIIT ou RT e resultou em ganhos modestos na MLG e no VO 2 pico , com ganhos modestos na sensibilidade à insulina, principalmente em jovens. O HIIT supervisionado parece ser uma recomendação eficaz para melhorar os parâmetros de saúde cardio-metabólica em adultos idosos.

Estávamos interessados ​​em entender os transdutores moleculares das adaptações ao exercício e realizamos o sequenciamento de RNA para determinar alterações nos transcritos dos genes nas biópsias dos músculos esqueléticos. 

O HIIT aumentou fortemente a expressão gênica, principalmente em adultos mais velhos, enquanto a RT e a TC tiveram efeitos menos pronunciados em ambos os grupos etários.

 De interesse, um conjunto de transcrições de genes aumentou com o HIIT em grupos jovens e mais velhos, apesar de genes selecionados terem um conteúdo maior ou menor na linha de base em adultos mais velhos. 

Esses dados demonstraram que o HIIT induziu um padrão de expressão gênica, independentemente da idade. 

Finalmente, o HIIT também teve aumentos robustos na regulação transcricional e translacional do crescimento muscular e das vias mitocondriais.Nosso estudo foi desenvolvido para detectar tamanhos de efeitos relevantes no nível proteômico, que demonstraram ganhos robustos, particularmente na conversão de proteínas reguladoras. 

Também houve tamanhos de efeito robustos para grupos de treinamento em fenótipos metabólicos. 

Por exemplo, o treinamento HIIT em idosos teve fortes tamanhos de efeito em vários resultados, incluindo respiração mitocondrial (1,7), condicionamento aeróbico (0,99), sensibilidade à insulina (0,5) e tamanhos de efeito menores para 1RM leg press (0,3) e FFM (0,1 ) 

Outros parâmetros, como a metilação do DNA, não detectaram diferenças e não podemos excluir a possibilidade de erro do tipo II.

 Além disso, uma fonte de variabilidade entre o conteúdo de mRNA e a abundância de proteínas é o potencial das variantes de emenda para gerar peptídeos que podem não ser anotados nas bibliotecas de espectrometria de massa.

Os aumentos nas proteínas musculares específicas foram maiores em relação às alterações no conteúdo do mRNA, particularmente nas proteínas mitocondrial e ribossômica, e demonstram falta de relação direta entre as adaptações transcricionais e proteômicas.

 A metilação do DNA é um ponto regulador da transcrição e teve alterações relativamente pequenas. Coletivamente, esses dados sugerem que as adaptações ao exercício são reguladas em maior grau no nível pós-transcricional. 

O aumento do conteúdo de proteínas do ribossomo e outras proteínas envolvidas no mecanismo de tradução foram detectados após o HIIT e proporcionam maior capacidade de tradução. 

A síntese de proteínas mitocondriais foi aumentada com o HIIT, conforme medido diretamente pela incorporação de isótopos (representando tradução). Esses dados demonstram um aumento no mecanismo de tradução de proteínas e nas taxas de síntese de proteínas. 

Também descobrimos uma redução dos danos às proteínas pós-traducionais (oxidação e desamidação) após o treinamento físico que pode melhorar a qualidade funcional das proteínas.

 O aumento da síntese protéica mitocondrial, juntamente com os ganhos proteômicos, apesar das diferenças nos transcritos de mRNA, sustentam a hipótese de que a regulação do nível de tradução é um fator predominante da biogênese mitocondrial em humanos em resposta ao treinamento físico. 

Um suporte adicional para a noção acima é fornecido pelo aumento no conteúdo de proteínas ribossômicas, apesar da queda nos níveis de transcritos ribossômicos. 

Os aumentos de proteínas específicas no músculo foram maiores em relação às alterações no conteúdo de mRNA, particularmente nas proteínas mitocondriais e ribossômicas, e isso demonstra uma falta de relação direta entre a abundância transcricional e proteômica quando medida 72 horas após a última sessão de exercício.

 Juntos, os resultados atuais demonstraram uma regulação predominante das adaptações ao exercício no nível pós-transcricional.

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