Transcriptional reprogramming of muscle fibers by chronic electrical stimulation

Background: Skeletal muscle fibers have a remarkable capacity to adjust their molecular, functional, and metabolic properties in response to developmental and environmental stimuli. A central role for neuromuscular activity in determining skeletal muscle fibers composition was demonstrated by cross-innervation and electrical stimulation experiments in adult skeletal muscle. A fast to slow transition can be induced by chronic low-frequency electrical stimulation (CLFS). In literature, CLFS studies have focused on the effects produced after days or weeks of stimulation. Here, I present the first transcriptome study that identifies the earliest genetic changes in this process. Methods: The fast EDL muscle was subjected to CLFS for 6 and 12 hours. First, microarray experiments were performed using whole EDL muscle. Then, in order to reduce biological noise caused by different cell types, I applied microgenomic analyses at the level of single fibers (SF), isolated according to the protocol recently developed in my laboratory. Microarray experiments have been produced with updated platforms (Agilent SurePrint G3 Mouse GE 8x60K). Results and discussion: The expression profiles of whole muscle after 6 and 12 hours of electrical stimulation identified about two hundred differentially expressed (DE) genes. The functional categories of blood vessel development and transcription regulation were most enriched. Genomic analyses of isolated fibers identified more than a thousand DE genes after 12 hours of stimulation. The functional category of blood vessel development was enriched also at the SF level, suggesting that myofibers are able to interact with other cell types in order to stimulate the angiogenesis process. In general, muscle structural genes were equally expressed between stimulated and unstimulated muscles, indicating that changes in fiber type require prolonged stimulation. On the contrary, genes involved in transcription, chromatin-remodeling genes and several myofibril genes acting as signaling molecule were early activated after CLFS.

Introduzione: Le fibre del muscolo scheletrico possiedono una notevole capacità di modificare le loro proprietà molecolari, funzionali e metaboliche in risposta a stimoli di crescita e ambientali. Esperimenti di cross-innervazione e stimolazione elettrica hanno dimostrato il ruolo fondamentale dell’attività neuromuscolare nel determinare il tipo di fibra. La stimolazione cronica a bassa frequenza (CLFS) è in grado di indurre il processo di trasformazione di una fibra veloce verso un fenotipo lento. Fino ad ora, questi processi sono stati studiati dopo lunghi periodi di stimolazione. In questo lavoro, mi sono proposta di identificare i cambiamenti trascrizionali precoci di questo processo. Metodi: Il muscolo veloce EDL di topo è stato sottoposto a CLFS per 6 e 12 ore. Inizialmente ho utilizzato il muscolo intero per produrre i profili di espressione Successivamente, per ovviare al problema dell’eterogenea composizione del muscolo, ho utilizzato l’approccio microgenomico, producendo profili di espressione a livello di una singola fibra, isolata utilizzando il protocollo sviluppato nel mio laboratorio. Tutti i profili sono stati ottenuti mediante l’utilizzo di piattaforme Agilent (SurePrint G3 Mouse GE 8x60K). Risultati e discussione: I profili di espressione con il muscolo intero hanno identificato circa 200 geni differenzialmente espressi (DE). Lo sviluppo dei vasi sanguigni e la regolazione della trascrizione sono risultate le categorie funzionali più arricchite. Le analisi genomiche a livello di singola fibra hanno identificato più di mille geni DE dopo 12 ore di stimolazione. La categoria funzionale riguardante lo sviluppo dei vasi sanguigni risulta arricchita anche con questo approccio, suggerendo un’interazione tra le fibre muscolari e gli altri tipi cellulari al fine di stimolare il processo di angiogenesi. La maggiorparte dei geni strutturali risulta essere ugualmente espressa, suggerendo che i cambiamenti nel tipo di fibra richiedono un tempo prolungato. Al contrario, i geni coinvolti nella trascrizione, nel rimodellamento della cromatina e alcuni geni miofibrillari che agiscono come molecule di segnale, si attivano rapidamente in risposta a CLFS.