Diss. ETH no. 22743
The role of microRNA-29a in the regulation of
myogenic progenitor proliferation and adult skeletal
muscle insulin sensitivity
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES OF ETH ZURICH
(Dr.Sc. ETH Zurich)
presented by
Artur Galimov
M.Sc. in bioengineering, Lomonosov Moscow State University
born on October 15, 1984
citizen of Russian Federation
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Christian Wolfrum
Prof. Dr. med. Jan Krützfeldt
Prof. Dr. med. Michael Ristow
Prof. Dr. med. Daniel Konrad
May, 2015
SUMMARY
SUMMARY
Skeletal muscle represents one of the key tissues responsible for metabolic, cardiovascular and
overall health. Abnormalities in skeletal muscle metabolism are considered as a primary event in the
development of type 2 diabetes. At the same time muscle possesses a prominent capacity to regenerate
and adapt to required loads. The regeneration process largely relies on muscle stem cells, which are
activated in response to injury and exercise, massively proliferate and rebuild new myofibers, as well
as provide nuclei for regenerating ones. Growth factors, such as growth hormone (GH), insulin growth
factor 1 (IGF1) and fibroblast growth factor (FGF) have been repeatedly reported to have an important
role in different aspects of muscle physiology, including both muscle regeneration and metabolism.
MicroRNAs have been demonstrated to be crucial regulators evolved to fine-tune gene
expression and to have an established role in tissue development and regeneration. Many microRNAs,
including muscle specific microRNAs, so called myomiRs, have been shown to regulate muscle
function.
The work presented in this thesis focuses on the role of the microRNA pathway, namely
microRNA-29a, in mediation of physiologic functions of soluble growth factors: growth hormone and
fibroblast growth factor.
Chapter I provides broad introduction into skeletal muscle physiology (section 1.1) and
microRNA function in relation to skeletal muscle (section 1.2). Within this chapter, different relevant
aspects of skeletal muscle biology are discussed, including satellite cell biology, markers of muscle
development, role of growth factors, aspects of muscle metabolism, and pathophysiology of type 2
diabetes.
Chapter II presents our study on the role of the microRNA pathway in mediation of instructing
signal of FGF for satellite cells to proliferate and maintain uncommitted state. MiR-29a was observed
to be upregulated by FGF in myogenic progenitors both in vitro and in vivo. We demonstrated that
deletion of miR-29 in primary myoblasts (in vitro) or myogenic progenitors (in vivo) decreased their
proliferation and led to premature differentiation. In vivo miR-29a deletion blunted both injury and
exercise-induced muscle regeneration. Regenerating muscles in miR-29a knocked-out (KO) animals
were characterized with increased fibrosis and reduced muscle mass, and this phenotype was present
after 4 weeks of regeneration, when muscle regenerates completely in control animals.
Chapter III presents our study on the role of microRNAs in GH mediated skeletal muscle
insulin resistance. We have demonstrated that GH downregulates miR-29a in skeletal muscle of
human patients and GH deficient mice, and that this regulation is mediated by IGF1. Furthermore,
changes in miR-29a expression in muscle during GHRT correlated with changes in insulin sensitivity
iii
SUMMARY
in human patients. Besides, miRNA-29a downregulation reciprocally correlated with induction of its
targets, associated with tissue inflammation and insulin resistance.
Chapter IV provides information about material and methods used
Overall, our findings highlight the importance of miR-29a for different aspects of muscle
physiology, such as myogenic progenitor function during muscle regeneration and control over insulin
resistance in adult tissue. Further research is needed in order to uncover details of miR-29a functioning
in skeletal muscle and develop therapeutic approaches.
iv
SOMMARIO
SOMMARIO
ll muscolo scheletrico rappresenta uno dei tessuti principali responsabili per la salute
metabolica, la salute cardiovascolare e la salute in generale. Anomalie nel metabolismo del muscolo
scheletrico sono considerate come l’evento primario nello sviluppo del diabete di tipo 2. Allo stesso
tempo, il muscolo scheletrico possiede una prominente capacità di rigenerarsi ed ad adattarsi ai carichi
richiesti. Il processo di rigenerazione si affida principalmente sulle cellule staminali muscolari, che si
attivano in risposta a lesioni ed esercizio fisico. In seguito, esse proliferano massicciamente andando a
ricostruire nuove fibre muscolari. I fattori di crescita, come l'ormone della crescita (GH), il fattore di
crescita insulino-simile (IGF1) ed il fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) sono conosciuti per avere
un ruolo importante in diversi aspetti della fisiologia muscolare, tra cui la rigenerazione ed il
metabolismo muscolare. I microRNA giocano un importante ruolo nella regolazione dell’espressione
genica, inoltre contribuiscono significativamente allo sviluppo e nella rigenerazione dei tessuti. Molti
microRNA, inclusi microRNA specifici muscolari, i cosiddetti myomeRs, hanno dimostrato di
regolare
la
funzione
muscolare.
Il lavoro presentato in questa tesi si concentra sul ruolo del microRNA-29a, nella mediazione
delle funzioni fisiologiche di fattori di crescita solubili, come l’ormone della crescita (GH) ed il fattore
di crescita dei fibroblasti (FGF).
Il Capitolo I fornisce un'ampia introduzione sulla fisiologia del muscolo scheletrico (sezione
1) e la funzione dei microRNA in relazione al muscolo scheletrico (sezione 2). All'interno di questo
capitolo sono trattati diversi aspetti riguardanti la biologia del muscolo scheletrico: la biologia delle
cellule satelliti, i marcatori di sviluppo muscolare, il ruolo dei fattori di crescita, aspetti del
metabolismo muscolare e la fisiopatologia del diabete di tipo 2.
Il Capitolo II presenta il nostro studio sul ruolo dei microRNA nella mediazione di segnale
FGF per istruire le cellule satelliti a proliferare e mantenere il loro stato uncommitted . Si è potuto
dimostrare che MiR-29a viene upregulated da FGF nei progenitori miogenici sia in vitro che in vivo.
Abbiamo dimostrato che la delezione di miR-29 in mioblasti primari (in vitro) o progenitori miogenici
(in vivo) diminuisce la proliferazione e porta a differenziazione prematura. La delezione in vivo di
miR-29a diminuisce la rigenerazione muscolare, indotta da lesioni ed esercizio fisico. I muscoli
rigeneranti di topi Knock out per miR-29a sono caratterizzati da una maggiore fibrosi e da una massa
muscolare ridotta. Questo fenotipo era presente ancora dopo 4 settimane di rigenerazione, ossia ad un
punto dove il muscolo di topi normali è già rigenerato completamente.
Il capitolo III presenta il nostro studio sul ruolo dei microRNA sulla resistenza all'insulina del
muscolo scheletrico mediata dall’ormone della crescita (GH). Abbiamo dimostrato, che l’ormone della
v
SOMMARIO
crescita (GH)” downregulates” miR-29a nel muscolo scheletrico in pazienti umani e topi che non
producono l’ormone della crescita. Questo effetto è mediato da IGF1. Abbiamo inoltre scoperto che
miR-29a è l'unico miRNA a correlare con la sensibilità all'insulina in pazienti umani. Inoltre, la
downregualtion di miRNA-29° causa l'induzione dei suoi “targets”, associati a fibrosi dei tessuti e la
resistenza all'insulina.
Nel capitolo IV sono descritti i materiali ed i metodi utilizzati.
Nel complesso, i nostri risultati rilevano l’importanza di miR-29a per diversi aspetti della
fisiologia muscolare, come il controllo della funzione delle cellule miogeniche progenitrici durante la
rigenerazione muscolare ed il controllo sulla resistenza all'insulina nel tessuto muscolare adulto.
Tuttavia, sono necessarie nuove ricerche per scoprire ulteriori dettagli riguardante il funzionamento di
miR-29a nel muscolo scheletrico, in modo da poter sviluppare approcci terapeutici.
vi
