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Destabilization of the NMJ by neurotrypsin-mediated agrin cleavage results in precocious sarcopenia


Bütikofer, Lukas. Destabilization of the NMJ by neurotrypsin-mediated agrin cleavage results in precocious sarcopenia. 2010, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Sarcopenia, the progressive decline in skeletal muscle mass and strength that occurs with aging, contributes substantially to impaired mobility of the elderly and has been associated with an increased risk of morbidity, disability, and mortality. Numerous age-associated processes have been shown to influence muscle mass and function, but the pathogenic mechanism leading to sarcopenia is still poorly understood. We found that destabilization of the neuromuscular junction (NMJ) via overexpression of the agrin-cleaving protease neurotrypsin in motoneurons installed the full sarcopenia phenotype in juvenile and young adult mice. Characteristic alterations included a reduced number of muscle fibers, increased heterogeneity of fiber thickness, angulated fibers, centralized nuclei, fiber-type grouping, and an increased proportion of type I fibers. ����������� We propose the neurotrypsin-overexpressing mouse as an animal model for sarcopenia, providing a well- defined aging-like neuromuscular environment in an otherwise healthy animal. The induction of sarcopenia at young age challenges several hypotheses about its etiology. Age-related endocrine changes, physical inactivity, inappropriate food intake, mtitochondrial dysfunction due to life- long accumulation of oxidative damages, and changes in muscle protein synthesis appear to be dispensable for the development of sarcopenia. Similarly, the loss of motoneurons, generally thought to be the main sarcopenia-promoting process, may not be a necessary condition for sarcopenia, since a reduced number of motoneurons was not found in neurotrypsin-overexpression animals. Our results rather suggest NMJ destabilization and fiber denervation at the onset of a final common pathway leading to sarcopenia. As in conditions with enhanced agrin cleavage, severe fragmentation of the NMJs that eventually lead to the dispersal of the postsynaptic receptor clusters was observed with aging. Whether neurotrypsin or agrin cleavage are responsible for age- related NMJ destabilization and sarcopenia could not be fully elucidated. Neurotrypsin-dependent agrin cleavage is ruled out as a single suspect, as absence of neurotrypsin activity does not protect mice from developing sarcopenia at old age. Overexpression of a neurotrypsin-resistant form of agrin prevented sarcopenia in young neurotrypsin-overexpressing mice, but failed to rescue these mice from developing sarcopenia at old age. However, small beneficial effects of transgenic agrin on the morphology of aged muscles provide some evidence that the amount of full-length agrin may influence the development of sarcopenia. Whether this influence is related to agrin cleavage remains unclear. Other processes that affect the stability of the NMJ may adopt a similar pathway on the way to NMJ destabilization, muscle fiber denervation, and sarcopenia. Sarkopenie bezeichnet den kontinuierlichen Muskelschwund mit fortschreitendem Alter, der sowohl durch den Verlust an Masse, wie auch an Kraft der Skelettmuskulatur charakterisiert ist. Sarkopenie trägt entscheidend zu eingeschränkter Mobilität unter älteren Personen bei und wird mit erhöhter Morbidität, Behinderung und Sterblichkeit in Verbindung gebracht. Weil diverse altersbedingte Prozesse einen Einfluss auf den Verlauf der Sarkopenie haben können, sind die entscheidenden Mechanismen die den Muskelschwund auslösen nach wie vor ungeklärt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Destabilisierung der neuromuskulären Endplatte, induziert durch Überexpression der Agrin-spaltenden Protease Neurotrypsin, Sarkopenie in jungen Mäusen verursacht. Charakteristische morphologische Veränderungen der Skelettmuskulatur sind eine reduzierte Anzahl Muskelfasern, erhöhte Heterogenität der Faserdicke, abnormal geformte Muskelfasern, zentrierte Kerne, Gruppierung der Fasertypen und ein erhöhter Anteil an Typ-I- Fasern. Die Neurotrypsin-überexprimierende Maus ist ein Tiermodell für Sarkopenie mit einem gealterten neuromuskulären System in einem ansonsten gesunden Organismus. Die Induktion von Sarkopenie in jungen Mäusen stellt diverse Prozesse, die bisher als Sarkopenie-auslösend bezeichnet worden sind, in Frage. Altersbedingte hormonelle Veränderungen, physische Inaktivität, mangelhafte Ernährung, Versagen der Mitochondrien durch lebenslange Ansammlung von oxidativen Schäden und Veränderungen der Synthese von Muskelproteinen scheinen keine essentiellen Voraussetzungen für die Entwicklung von Sarkopenie zu sein. Das gleiche gilt für den Verlust von Motoneuronen, der laut vielen Berichten entscheidend zum altersbedingten Muskelschwund beiträgt, da kein solcher Verlust in jungen Mäusen mit Sarkopenie gefunden wurde. Der Sarkopenie auslösende Prozess scheint eher die Destabilisierung der motorischen Endplatte und die Denervierung von Muskelfasern zu beinhalten. Sowohl in Neurotrypsin- überexprimierenden, wie auch in alten Mäusen wurde eine Fragmentierung der neuromuskulären Endplatten gefunden, die mit dem vollständigen Verlust des Kontakts zwischen Nerv und Muskel enden kann. Daher könnten Endplatten-stabilisierende (Agrin), wie auch -destabilisierende (Neurotrypsin) Proteine eine wichtige Rolle in der Entstehung von altersabhängiger Sarkopenie spielen. Experimente mit alten Neurotrypsin-defizienten Mäusen haben aber gezeigt, dass Sarkopenie auch in Abwesenheit der Agrin-spaltenden Protease vorkommen kann. Die Überexpression einer Neurotrypsin-resistenten Agrin Form konnte zwar Sarkopenie in jungen Neurotrypsin-überexprimierenden Mäusen verhindern, nicht aber die Entwicklung der altersabhängigen Sarkopenie. Transgenes Agrin beinflusste allerdings die Morphologie von alten Muskeln positiv, was auf einen Abhängigkeit des Verlaufs der Sarkopenie von der Menge an ungeschnittenem Agrin deuten könnte. Zusammenfassend bleibt unklar ob die Prozessierung von Agrin an der Induktion von altersabhängiger Sarkopenie beteiligt ist. Es ist denkbar, dass andere Prozesse, die zur Destabilisierung der motorischen Endplatte führen, auf die gleiche Weise Sarkopenie verursachen.

Abstract

Sarcopenia, the progressive decline in skeletal muscle mass and strength that occurs with aging, contributes substantially to impaired mobility of the elderly and has been associated with an increased risk of morbidity, disability, and mortality. Numerous age-associated processes have been shown to influence muscle mass and function, but the pathogenic mechanism leading to sarcopenia is still poorly understood. We found that destabilization of the neuromuscular junction (NMJ) via overexpression of the agrin-cleaving protease neurotrypsin in motoneurons installed the full sarcopenia phenotype in juvenile and young adult mice. Characteristic alterations included a reduced number of muscle fibers, increased heterogeneity of fiber thickness, angulated fibers, centralized nuclei, fiber-type grouping, and an increased proportion of type I fibers. ����������� We propose the neurotrypsin-overexpressing mouse as an animal model for sarcopenia, providing a well- defined aging-like neuromuscular environment in an otherwise healthy animal. The induction of sarcopenia at young age challenges several hypotheses about its etiology. Age-related endocrine changes, physical inactivity, inappropriate food intake, mtitochondrial dysfunction due to life- long accumulation of oxidative damages, and changes in muscle protein synthesis appear to be dispensable for the development of sarcopenia. Similarly, the loss of motoneurons, generally thought to be the main sarcopenia-promoting process, may not be a necessary condition for sarcopenia, since a reduced number of motoneurons was not found in neurotrypsin-overexpression animals. Our results rather suggest NMJ destabilization and fiber denervation at the onset of a final common pathway leading to sarcopenia. As in conditions with enhanced agrin cleavage, severe fragmentation of the NMJs that eventually lead to the dispersal of the postsynaptic receptor clusters was observed with aging. Whether neurotrypsin or agrin cleavage are responsible for age- related NMJ destabilization and sarcopenia could not be fully elucidated. Neurotrypsin-dependent agrin cleavage is ruled out as a single suspect, as absence of neurotrypsin activity does not protect mice from developing sarcopenia at old age. Overexpression of a neurotrypsin-resistant form of agrin prevented sarcopenia in young neurotrypsin-overexpressing mice, but failed to rescue these mice from developing sarcopenia at old age. However, small beneficial effects of transgenic agrin on the morphology of aged muscles provide some evidence that the amount of full-length agrin may influence the development of sarcopenia. Whether this influence is related to agrin cleavage remains unclear. Other processes that affect the stability of the NMJ may adopt a similar pathway on the way to NMJ destabilization, muscle fiber denervation, and sarcopenia. Sarkopenie bezeichnet den kontinuierlichen Muskelschwund mit fortschreitendem Alter, der sowohl durch den Verlust an Masse, wie auch an Kraft der Skelettmuskulatur charakterisiert ist. Sarkopenie trägt entscheidend zu eingeschränkter Mobilität unter älteren Personen bei und wird mit erhöhter Morbidität, Behinderung und Sterblichkeit in Verbindung gebracht. Weil diverse altersbedingte Prozesse einen Einfluss auf den Verlauf der Sarkopenie haben können, sind die entscheidenden Mechanismen die den Muskelschwund auslösen nach wie vor ungeklärt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Destabilisierung der neuromuskulären Endplatte, induziert durch Überexpression der Agrin-spaltenden Protease Neurotrypsin, Sarkopenie in jungen Mäusen verursacht. Charakteristische morphologische Veränderungen der Skelettmuskulatur sind eine reduzierte Anzahl Muskelfasern, erhöhte Heterogenität der Faserdicke, abnormal geformte Muskelfasern, zentrierte Kerne, Gruppierung der Fasertypen und ein erhöhter Anteil an Typ-I- Fasern. Die Neurotrypsin-überexprimierende Maus ist ein Tiermodell für Sarkopenie mit einem gealterten neuromuskulären System in einem ansonsten gesunden Organismus. Die Induktion von Sarkopenie in jungen Mäusen stellt diverse Prozesse, die bisher als Sarkopenie-auslösend bezeichnet worden sind, in Frage. Altersbedingte hormonelle Veränderungen, physische Inaktivität, mangelhafte Ernährung, Versagen der Mitochondrien durch lebenslange Ansammlung von oxidativen Schäden und Veränderungen der Synthese von Muskelproteinen scheinen keine essentiellen Voraussetzungen für die Entwicklung von Sarkopenie zu sein. Das gleiche gilt für den Verlust von Motoneuronen, der laut vielen Berichten entscheidend zum altersbedingten Muskelschwund beiträgt, da kein solcher Verlust in jungen Mäusen mit Sarkopenie gefunden wurde. Der Sarkopenie auslösende Prozess scheint eher die Destabilisierung der motorischen Endplatte und die Denervierung von Muskelfasern zu beinhalten. Sowohl in Neurotrypsin- überexprimierenden, wie auch in alten Mäusen wurde eine Fragmentierung der neuromuskulären Endplatten gefunden, die mit dem vollständigen Verlust des Kontakts zwischen Nerv und Muskel enden kann. Daher könnten Endplatten-stabilisierende (Agrin), wie auch -destabilisierende (Neurotrypsin) Proteine eine wichtige Rolle in der Entstehung von altersabhängiger Sarkopenie spielen. Experimente mit alten Neurotrypsin-defizienten Mäusen haben aber gezeigt, dass Sarkopenie auch in Abwesenheit der Agrin-spaltenden Protease vorkommen kann. Die Überexpression einer Neurotrypsin-resistenten Agrin Form konnte zwar Sarkopenie in jungen Neurotrypsin-überexprimierenden Mäusen verhindern, nicht aber die Entwicklung der altersabhängigen Sarkopenie. Transgenes Agrin beinflusste allerdings die Morphologie von alten Muskeln positiv, was auf einen Abhängigkeit des Verlaufs der Sarkopenie von der Menge an ungeschnittenem Agrin deuten könnte. Zusammenfassend bleibt unklar ob die Prozessierung von Agrin an der Induktion von altersabhängiger Sarkopenie beteiligt ist. Es ist denkbar, dass andere Prozesse, die zur Destabilisierung der motorischen Endplatte führen, auf die gleiche Weise Sarkopenie verursachen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Sonderegger Peter
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2010
Deposited On:12 Jul 2010 15:22
Last Modified:24 Sep 2019 16:54
Number of Pages:179
Additional Information:Destabilization of the NMJ by neurotrypsin-mediated agrin cleavage results in precocious sarcopenia / vorgelegt von Lukas Bütikofer. - Zürich, 2010
OA Status:Green
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