Protective effects of delta like 1 homolog against dexamethasone induced muscular atrophy

Abstract

Skeletal muscle atrophy is accelerated in elderly patients with diabetes and caused by the imbalance between muscle growth and wasting. To identify whether delta-like 1 homolog (DLK1) treatment can prev ent muscle wasting, we assessed muscle mass as well as muscle differentiation and atrophy markers in dexamethasone-induced atrophy models: mice were randomly divided into three groups; (1) control group, (2) atrophy group by dexamethasone (Dex group), and (3) DLK1 administration to atrophy mice (DLK1 group). The expressions of genes related to muscle differentiation and atrophy were determined using RT-PCR. We observed that dexamethasone reduced muscle mass and markedly increased atrophy makers including atrogin1 and MuRF1. DLK1 treatment attenuated these degenerative changes. Furthermore, the level of myostatin, which inhibits muscle cell growth, was reduced in DLK1 treatment group compared with Dex group. Cell experiments were performed using C2C12 myotubes. DLK1 treatment significantly attenuated dexamethasone-induced destructions of myotube cells. In adddition, DLK1 treatment suppressed the signaling pathway in which endogenous myostatin activated during atrophy progress. These results suggest that DLK1 attenuates dexamethasone-induced muscle atrophy in mice potentially by suppressing the downstream signaling of myostatin/myogenin/atrogin1/MuRF1 pathway. Interestingly, in the analysis of electron microscope, therapeutic effect of DLK1 did not only affect muscle atrophy, but it improved intracellular mitochondria as well. Furthermore, we found that muscular atrophy could result in mitochondrial biogenesis impairment and that the DLK1 treatment could supplement mitochondrial biogenesis. Our study implies that DLK1 could be a promising candidate in the treatment of aging or diabetes-related sarcopenia, characterized by muscle atrophy and dysfunction.

DLK1은 마이오스타틴의 신호 전달을 억제해 근육 위축 및 대사 기능 장애에 치료와 예방에 사용 될 수 있다. 덱사메타손이 유도한 근위축증 유발에 대한 DLK1의 보호 효과는 현재까지 연구된 바 없다. 본 연구에 사용된 DLK1 단백질은 DLK1의 세포외도메인과 인간 면역글로불린의 Fc 분절을 융합하여 제작되었다. 동물실험은 2주간 실시되었고, 10주령 수컷 C57BL/6 마우스 모델을 세 그룹으로 나누었다: (1) 생리식염수 복강 및 경구 투여 대조군 (8마리), (2) 1mg/Kg 덱사메타손 경구 투여군 (8마리), (3) 0.8mg/Kg 융합 DLK1 단백질 복강 투여군 (8마리). 세포실험은 근육세포 C2C12 세포주를 이용해 진행했다. 분화 4일차 세포를 사용했으며, 다음의 세 그룹을 24시간 처리 후 분화 5일차에 분석하였다: (1) 비처리 대조군, (2) 덱사메타손 10 μM 처리군, (3) 덱사메타손 10 μM 및 융합 DLK1 단백질 5μg/ml 동시 처리군. C57BL/6 마우스 실험은 체중변화 관측, 혈청 분석(AST, ALT, TG), X선 체성분 분석기로 근육량 측정, 근섬유(CSA)의 단면적 측정, PCR 분석, 마이오디 분석, 마이오스타틴 분석, Opa1 분석, Drp1 분석 순으로 진행되었다. 동물실험 결과, 덱사메타손 투약 시 파괴된 수치는 덱사메타손과 DLK1 동시 처리 시에 정상 대조군 수준으로 회복되었다. 특이적으로 DLK1은 덱사메타손에 의해 발생한 마이오필라멘트의 노화와 미토콘드리아의 형태 변화를 개선시켰다. C2C12 근육세포 실험은 동물실험과 동일한 패턴을 보였다. 세포실험은 근육직경 측정, PCR 분석, 마이오디 유전자 분석, 마이오스타틴 분석, Opa1 분석, Drp1 분석 순으로 진행되었고, 덱사메타손 투약으로 파괴된 수치가 DLK1 동시 투여 시 정상 대조군 수준으로 회복되었다. 결과적으로 DLK1 투여를 통해 덱사메타손의 영향으로 유발된 근위축증 발생과 진행이 다양한 단계에서 억제될 수 있음이 증명된다. DLK1이 마이오스타틴 신호전달 체계의 내인적인 억제제로 작용됨을 추정할 수 있으며, 근위축증 예방 및 치료에 있어서 새로운 약물 개발의 가능성을 시사한다.