@misc{10481/108568,
year = {2025},
url = {https://hdl.handle.net/10481/108568},
abstract = {El envejecimiento conlleva un deterioro progresivo en la funcionalidad de los
organismos, aumentando el riesgo de enfermedades crónicas. En este contexto, la
sarcopenia es una enfermedad asociada al envejecimiento que se caracteriza por la
pérdida gradual de masa muscular, fuerza y función, lo que compromete la movilidad, la
salud general y la esperanza de vida. Aunque sus mecanismos subyacentes no están
completamente esclarecidos, se han identificado varios factores implicados en su
desarrollo, como la inflamación crónica, el estrés oxidativo, la disfunción mitocondrial,
la apoptosis y cambios hormonales y microvasculares, todos los cuales afectan la
homeostasis del músculo esquelético.
Cada vez hay más pruebas que vinculan la cronodisrupción con el
envejecimiento, lo que sugiere que las alteraciones en los ritmos circadianos podrían
contribuir al desarrollo de la sarcopenia. Los genes y proteínas del reloj circadiano se
expresan en el músculo esquelético, y entre ellos destaca Bmal1, un gen clave que
vincula el reloj biológico con el sistema inmunitario y desempeña funciones esenciales
en la salud muscular. Bmal1 regula procesos fundamentales como la reparación
muscular y la función mitocondrial. Dado que su expresión disminuye con la edad, la
alteración del reloj circadiano en el músculo esquelético podría estar estrechamente
relacionada con la sarcopenia. Para investigar esta hipótesis, desarrollamos un modelo
de ratón deficiente para Bmal1 inducible y específico de músculo esquelético (iMSBmal1−/−),
con el objetivo de evaluar si la pérdida de este gen contribuye a los cambios
que conducen a la sarcopenia. Los ratones iMS-Bmal1−/− mostraron una disminución en
la actividad locomotora y alteraciones en los ritmos circadianos, junto con una reducción
de la masa muscular y un aumento en la fragilidad. Además, se observó atrofia, fibrosis y una conversión hacia fibras musculares más oxidativas. Estos cambios se acompañaron
de una disminución en la capacidad oxidativa mitocondrial, lo que sugería una
adaptación compensatoria en el metabolismo de las fibras musculares. También se
observaron alteraciones en la ultraestructura muscular, con mayor daño mitocondrial y
reducción en el número de mitocondrias. Para contrarrestar estos efectos, evaluamos
el impacto terapéutico del ejercicio físico y la melatonina. Ambos tratamientos
mitigaron las consecuencias negativas de la pérdida de Bmal1, destacando la
importancia de este gen en la salud muscular, y demostraron que tanto el ejercicio como
la melatonina son estrategias efectivas contra la sarcopenia, incluso en ausencia de
Bmal1.
Basándonos en estos hallazgos, el presente estudio profundiza en los
mecanismos moleculares que subyacen a estos cambios y en las vías a través de las
cuales la melatonina y el ejercicio ejercen sus efectos beneficiosos. Para ello, analizamos
la expresión de marcadores de células madre musculares (MuSC) y de factores
reguladores de la miogénesis muscular (MRFs), así como alteraciones en la morfología
muscular mediante resonancia magnética nuclear (RMN). Para conocer el estado
mitocondrial en el modelo experimental, se evaluó la tasa de consumo de oxígeno (OCR),
fuga de protones y producción de ATP, mediante experimentos con mitocondrias aisladas
en Seahorse. Adicionalmente, se analizaron proteínas y genes relacionados con la
dinámica mitocondrial en los procesos de fusión, fisión, biogénesis mitocondrial y
mitofagia, así como cambios en la vía NAMPT-NAD+-SIRTs y otros marcadores asociados
a la inflamación y la señalización Klotho-FGF21, mediante técnicas de Western blot y qRT-PCR. Finalmente, se midió el cociente NAD+/NADH en los distintos grupos,
incluyendo los animales control y los tratados con ejercicio y/o melatonina.
Los resultados indican que los ratones iMS-Bmal1−/− presentan una menor
expresión en los marcadores de MuSC y MRFs, lo que sugiere una regeneración muscular
alterada en los animales con deficiencia en Bmal1, que fue restaurada con los
tratamientos de ejercicio y/o melatonina. Aunque la respiración mitocondrial no mostró
cambios significativos, el ejercicio produjo una disminución en el valor de OCR, que la
melatonina no logró contrarrestar. Al contrario, la inhibición del complejo I (CI) con
rotenona disminuyó la OCR, lo que podría indicar una alteración a nivel del complejo II
(CII) en este modelo de ratón. Además, se observaron mejoras en la fuga de protones y
la producción de ATP en los grupos con tratamientos compensando la deficiencia
mitocondrial. También se observaron alteraciones en la dinámica mitocondrial que
afectaron la integridad de las mitocondrias en el músculo esquelético, dando explicación
a los cambios en la morfología que se produce con la falta de Bmal1. Además, estos
ratones mostraron alteraciones en el metabolismo energético, una respuesta
antioxidante deteriorada y un perfil inflamatorio alterado. De manera destacable, tanto
el ejercicio como la melatonina lograron revertir estos déficits, restaurando la salud
muscular en ausencia de Bmal1 y dando explicación de los cambios que observamos que
desencadenan sarcopenia.
Estos hallazgos refuerzan la importancia del reloj circadiano en la homeostasis
del músculo esquelético y posicionan al ejercicio y la melatonina como estrategias
terapéuticas prometedoras contra la sarcopenia. Además, resaltan la necesidad de
profundizar en las vías moleculares responsables de sus efectos protectores, lo que podría abrir nuevas oportunidades para el desarrollo de intervenciones dirigidas a
mitigar el impacto del envejecimiento en la musculatura esquelética.},
abstract = {Aging entails a progressive deterioration in the functionality of organisms,
increasing the risk of chronic diseases. In this context, sarcopenia is an aging-associated
disease characterized by the gradual loss of muscle mass, strength, and function, which
affects mobility, overall health, and life expectancy. Although its underlying
mechanisms are not fully elucidated, several factors involved in its development have
been identified, such as chronic inflammation, oxidative stress, mitochondrial
dysfunction, apoptosis, and hormonal and microvascular changes, all of which affect
skeletal muscle homeostasis. There is increasing evidence supporting the relationship
between chronodisruption and aging, suggesting that alterations in circadian rhythms
could contribute to the development of sarcopenia. Circadian clock genes and proteins
are expressed in skeletal muscle, among which Bmal1 stands out as a key gene that
links the biological clock with the immune system and plays essential roles in muscle
health. Bmal1 regulates fundamental processes such as muscle repair and
mitochondrial function. Since its expression decreases with age, circadian clock
disruption in skeletal muscle could be closely related to sarcopenia.
To investigate this hypothesis, we developed an inducible and muscle-specific
Bmal1 knockout mouse model (iMS-Bmal1−/−) to determine whether the loss of this
gene could be a key factor in the changes leading to sarcopenia. iMS-Bmal1−/− mice
showed a decrease in locomotor activity and alterations in circadian rhythms.
Additionally, they exhibited a reduction in muscle mass and an increase in frailty.
Structurally, muscle atrophy, fibrosis, and a shift toward more oxidative muscle fibers
were observed. These changes were accompanied by a decrease in mitochondrial
oxidative capacity, suggesting a compensatory adaptation in muscle fiber metabolism.
Alterations in muscle ultrastructure were also evident, with increased mitochondrial damage and a reduction in the number of mitochondria. To counteract these effects,
we evaluated the therapeutic impact of physical exercise and melatonin. Both
treatments mitigated the negative consequences of Bmal1 loss, highlighting the
importance of this gene in muscle health, and demonstrated that both exercise and
melatonin are effective strategies against sarcopenia, even in the absence of Bmal1.
Based on these findings, the present study delves into the molecular
mechanisms underlying these changes and the pathways through which melatonin and
exercise exert their beneficial effects. For this purpose, we analyzed the expression of
muscle stem cell (MuSC) markers and myogenic regulatory factors (MRFs) as well as
alterations in muscle morphology using nuclear magnetic resonance (RMN). To
determine the mitochondrial state in the experimental model, we assessed oxygen
consumption rate (OCR), proton leak, and ATP production using isolated mitochondria
in Seahorse assays across different experimental groups. Additionally, proteins and
genes related to mitochondrial dynamics in the processes of fusion, fission,
mitochondrial biogenesis, and mitophagy were analyzed, along with changes in the
NAMPT-NAD+-SIRTs pathway and other markers associated with inflammation and
Klotho-FGF21 signaling using Western blot and qRT-PCR techniques. Finally, the
NAD+/NADH ratio was measured in the different groups, including control animals and
those treated with exercise and/or melatonin.
The results indicate that iMS-Bmal1−/− mice showed lower expression of MuSC
and MRF markers, suggesting impaired muscle regeneration in Bmal1-deficient
animals, which was restored with exercise and/or melatonin treatments. Although
mitochondrial respiration did not show significant changes, exercise led to a decrease in OCR, which melatonin failed to counteract. On the contrary, complex I (CI) inhibition
with rotenone decreased OCR, which could indicate an alteration at the complex II (CII)
level in this mouse model. Additionally, improvements in proton leak and ATP
production were observed in the treatment groups, compensating for mitochondrial
deficiency. Alterations in mitochondrial dynamics were also evident, affecting
mitochondrial integrity in skeletal muscle and explaining the morphological changes
caused by Bmal1 deficiency. Furthermore, these mice exhibited alterations in energy
metabolism, a deteriorated antioxidant response, and an altered inflammatory profile.
Notably, both exercise and melatonin successfully reversed these deficits, restoring
muscle health in the absence of Bmal1 and providing an explanation for the changes
that trigger sarcopenia.
These findings reinforce the importance of the circadian clock in skeletal muscle
homeostasis and position exercise and melatonin as promising therapeutic strategies
against sarcopenia. Moreover, they highlight the need to further investigate the
molecular pathways responsible for their protective effects, which could open new
opportunities for developing interventions aimed at mitigating the impact of aging on
skeletal muscle.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {Contrato predoctoral de formación en investigación (FI20/00264), Instituto de Salud Carlos III},
organization = {Convocatoria de movilidad internacional de estudiantes de doctorado. Universidad de Padua, Italia},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Evaluación de los mecanismos de sarcopenia en el modelo de ratón knockout para Bmal1 (iMS-Bmal1-/-)},
author = {Ramírez Casas, Yolanda},
}