The role of the clock gene Bmal1 in skeletal muscle

Circadian rhythms are responsible for various rhythmic 24-hour changes in physiological and behavioral parameters. A core oscillator located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus is responsible for the coordination of these rhythms. The SCN controls the endogenous timing system by coordinating the tissue-specific clocks present in all cells of the body. The regulation is mainly based on a core transcriptional-translational feedback loop that keeps internal gene expression entrained by the external light-dark cycle. The transcription factor Bmal1 is a major component of both central and peripheral clocks, and its absence leads to disruption of circadian rhythms. In order to understand the function of the intrinsic muscle clock we compared two muscle specific knockouts of the Bmal1 gene (a conditional model Bmal1 mKO and an inducible model Bmal1 imKO) and their normal wild type littermates. Changes in muscle phenotype were analyzed at morphological and physiological level, and muscle gene expression was determined. We have observed that in contrast with the whole body Bmal1 knockout, Bmal1 mKO mice have a normal lifespan and growth. Contrary to the extreme muscle atrophy found in Bmal1 null mice, muscle-specific Bmal1 mKO causes a small but significant increase in muscle mass. However, this hypertrophic phenotype is not accompanied by an increase in muscle force, and indeed there is a marked reduction in both absolute muscle force and muscle force normalized to muscle weight. Myofibrillar architecture is conserved in Bmal1 mKO muscles, and there are no major histological abnormalities in the muscles. Myosin heavy chain composition is slightly shifted to fast myosin heavy chain isoforms. We have compared the muscle circadian gene expression profile of these mice and their control littermates. Our analyses indicate that the transcription of many circadian muscle genes is greatly altered. By Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) we found that the p38 pathway, including upstream activators and downstream targets, is down−regulated, suggesting that this pathway, which is known to be linked to contractile activity, is controlled by BMAL1.

I ritmi circadiani sono responsabili della variazione giornaliera di molteplici parametri fisiologici e di comportamento. L’orologio centrale preposto alla coordinazione di questi ritmi è localizzato nel nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo. Il nucleo soprachiasmatico scandisce il ritmo globale dell’organismo sincronizzando il ritmo dei cosiddetti orologi periferici dei tessuti, presenti in tutte le cellule del corpo. La regolazione avviene principalmente tramite un circuito accoppiato di trascrizione-traduzione, che mantiene l’espressione genica interna vincolata al ciclo esterno di luce e buio. Il fattore di trascrizione Bmal1 è uno dei principali componenti sia dell’orologio centrale che di quelli periferici, e la sua assenza porta alla scomparsa dei ritmi circadiani nell’organismo. Al fine di comprendere la funzione dell’orologio intrinseco del muscolo, abbiamo confrontato due diverse linee di topi in cui il gene Bmal1 è assente esclusivamente nel muscolo scheletrico (un modello condizionale, nominato Bmal1 mKO, e un modello inducibile, chiamato Bmal1 imKO), con dei topi di controllo appartenenti allo stesso ceppo selvatico. Cambiamenti fenotipici a livello muscolare sono stati analizzati sia a livello morfologico che fisiologico, ed è stata inoltre valutata l’espressione genica globale del muscolo. Abbiamo così osservato che a differenza dei topi in cui il gene Bmal1 è assente in tutte le cellule del corpo (Bmal1-/-), i topi Bmal1 mKO hanno una durata della vita ed una crescita normale. Al contrario della forte atrofia riscontrata nel topo Bmal1-/-, nel nostro modello muscolo-specifico Bmal1 mKO abbiamo rilevato un significativo, benché piccolo, incremento di massa muscolare. Ad ogni modo, ciò non è accompagnato da un aumento della forza muscolare ne’ assoluta, ne’ normalizzata rispetto al peso del muscolo. L’architettura del muscolo è preservata nei topi Bmal1 mKO, e questi non presentano anomalie vistose a livello istologico. Nei topi Bmal1 mKO si nota un leggero incremento nel numero delle fibre che esprimono catene pesanti delle miosine di tipo rapido. Abbiamo inoltre confrontato l’espressione genica circadiana di questi topi rispetto ai loro controlli. Le nostre analisi indicano che la trascrizione di molti geni circadiani muscolari è fortemente alterata. Tramite analisi di arricchimento di gruppi genici (Gene Set Enrichment Analysis, o GSEA), abbiamo trovato che la via di segnalazione della proteina p38, inclusi attivatori a monte e bersagli a valle, è ridotta, suggerendo così che questa via, nota per essere legata all’attività contrattile, sia controllata da BMAL1.