競合燃料のミトコンドリア利用は非肥満ラットのインスリン抵抗性骨格筋で変化している

Mitochondrial Utilization of Competing Fuels Is Altered in Insulin Resistant Skeletal Muscle of Non-obese Rats (Goto-Kakizaki).

• Nicola Lai
• Ciarán E Fealy
• Chinna M Kummitha
• Silvia Cabras
• John P Kirwan
• Charles L Hoppel

抄録

狙い目:

インスリン抵抗性骨格筋は、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体δ（PPARδ）によって媒介される基質選択の変化に関連した代謝の柔軟性のなさが特徴です。PPARδがエネルギー代謝の変化に寄与することは確立されているが、ミトコンドリアの燃料競争に役割を果たしているかどうかは明らかにされていない。栄養過多はミトコンドリア内での燃料の輻輳によって代謝の柔軟性を損なう可能性があるが、肥満がない場合にはミトコンドリアレベルでの欠陥はまだ除外されていない。我々は、非肥満T2DMモデルのインスリン抵抗性ラット骨格筋（後藤・柿崎、GK）のPPARδ含量の減少が、筋繊維におけるミトコンドリアの炭水化物酸化（すなわちピルビン酸）に対する脂肪酸（すなわちパルミトイルカルニチン）の抑制効果を改善するかどうかを調べた。

Aim: Insulin-resistant skeletal muscle is characterized by metabolic inflexibility with associated alterations in substrate selection, mediated by peroxisome-proliferator activated receptor δ (PPARδ). Although it is established that PPARδ contributes to the alteration of energy metabolism, it is not clear whether it plays a role in mitochondrial fuel competition. While nutrient overload may impair metabolic flexibility by fuel congestion within mitochondria, in absence of obesity defects at a mitochondrial level have not yet been excluded. We sought to determine whether reduced PPARδ content in insulin-resistant rat skeletal muscle of a non-obese rat model of T2DM (Goto-Kakizaki, GK) ameliorate the inhibitory effect of fatty acid (i.e., palmitoylcarnitine) on mitochondrial carbohydrate oxidization (i.e., pyruvate) in muscle fibers.

方法:

生体エネルギー機能は、複合体I、II、IV、および脂肪酸基質の存在下で透過性繊維中の呼吸速度の測定と酸化性ヒラメ筋（S）と解糖性白色腓腹筋（WG）の筋肉で特徴付けられた。ミトコンドリア含量は、クエン酸合成酵素（ＣＳ）およびコハク酸脱水素酵素活性（ＳＤＨ）により測定した。ウェスタンブロットを用いて、PPARδ、PDKアイソフォーム2および4のタンパク質発現を測定した。

Methods: Bioenergetic function was characterized in oxidative soleus (S) and glycolytic white gastrocnemius (WG) muscles with measurement of respiration rates in permeabilized fibers in the presence of complex I, II, IV, and fatty acid substrates. Mitochondrial content was measured by citrate synthase (CS) and succinate dehydrogenase activity (SDH). Western blot was used to determine protein expression of PPARδ, PDK isoform 2 and 4.

結果:

その結果、ミトコンドリア内容の重要なマーカーであるコハク酸脱水素酵素活性とコハク酸脱水素酵素活性は、糖尿病患者と対照群で約10〜30％低下し、その効果は酸化筋と解糖筋の両方で明らかであった。PPARδ（<0.01）、PDK2（<0.01）、PDK4（=0.06）のタンパク質含量は、Wistarラット（各群6）と比較してGK動物で減少した。ピルビン酸存在下での呼吸はパルミトイルカルニチンと比較して、動物群と繊維タイプの両方で高かった。さらに、パルミトイルカルニチンとピルビン酸の両方の存在下での呼吸率は、コントロールとGKの両方において、ピルビン酸と比較して、それぞれ25±6％（S）、37±6％（WG）、63±6％（S）、57±8％（WG）減少した。パルミトイルカルニチンの呼吸抑制効果は、コントロールよりもGKの方が有意に大きかった（＜10）。

Results: CS and SDH activity, key markers of mitochondrial content, were reduced by ∼10-30% in diabetic vs. control, and the effect was evident in both oxidative and glycolytic muscles. PPARδ ( < 0.01), PDK2 ( < 0.01), and PDK4 ( = 0.06) protein content was reduced in GK animals compared to Wistar rats ( = 6 per group). respiration rates in permeabilized muscle fibers determined in the presence of complex I, II, IV, and fatty acid substrates, suggested unaltered mitochondrial bioenergetic function in T2DM muscle. Respiration in the presence of pyruvate was higher compared to palmitoylcarnitine in both animal groups and fiber types. Moreover, respiration rates in the presence of both palmitoylcarnitine and pyruvate were reduced by 25 ± 6% (S), 37 ± 6% (WG) and 63 ± 6% (S), 57 ± 8% (WG) compared to pyruvate for both controls and GK, respectively. The inhibitory effect of palmitoylcarnitine on respiration was significantly greater in GK than controls ( < 10).

結論:

競合する燃料では、脂肪酸の存在は、PPARδ含量の減少にもかかわらず、インスリン抵抗性筋において炭水化物由来の基質を利用するミトコンドリアの能力を低下させる。

Conclusion: With competing fuels, the presence of fatty acids diminishes mitochondria ability to utilize carbohydrate derived substrates in insulin-resistant muscle despite reduced PPARδ content.

Copyright © 2020 Lai, Fealy, Kummitha, Cabras, Kirwan and Hoppel.