Characterisation of a skeletal muscle-specific myostatin over-expressing mouse model

Strenzke, Maximilian (2024): Characterisation of a skeletal muscle-specific myostatin over-expressing mouse model. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Sarcopenia displays a progressive loss of muscle mass and performance, which extends above the level of physiological ageing processes. In ageing societies, this condition becomes increasingly significant. While patients may notice a strong impact on self-reliance, the socio-economic burden presents itself through rising costs for health care and increasing commitment of manpower. Unfortunately, no pharmacological treatments are yet available to prevent or treat this condition effectively. To conduct further research on sarcopenia a reliable mouse model should be established. Myostatin (MSTN) or GDF-8, a member of transforming growth and differentiation factor (TGF) family, is a strong inhibitor of skeletal muscle mass. Physiologically, MSTN reduces skeletal muscle mass adapted to physical exercise. The absence of functional MSTN in animals with a natural loss-of-function mutation or in artificial models leads to a tremendous increase in muscle mass. The opposite (sarcopenic) phenotype could be hypothesised to result from Mstn gain-of-function. This makes MSTN a promising candidate for genetic modification to simulate sarcopenic conditions. Due to the strong monogenetic impact on morphology, the aim of this thesis was to analyse possible effects of Mstn over-expression on skeletal muscles. Hence a Mstn over-expressing mouse line was created and thoroughly analysed. Interestingly, the results showed no significant influence on overall bodyweight. However, a significant decrease in skeletal muscle weight of lower limb muscles could be found in homozygous Mstn over-expressing male mice. No significant changes in fibre area or fibre type composition were found, but a small tendency towards smaller myofibres in homozygous Mstn over-expressing male mice. In addition, no significant impact on grip strength was detected. Next generation sequencing (NGS) of Mstn over-expressing mice muscle revealed a pattern of up- and down-regulated genes that indicates a homeostatic regulatory function of MSTN. In addition, the results of this work will provide the basis for further genetic modifications of the Mstn over-expressing mouse line toward an inducible gene modification to expand research opportunities by controlling the onset of over-expression.

Abstract

Sarkopenie beschreibt einen fortschreitenden Verlust an Muskelmasse und Leistungsfähigkeit, der über die physiologischen Alterungsprozesse hinausgeht. In alternden Gesellschaften gewinnt dieser Zustand zunehmend an Bedeutung. Während Patienten starke Einschränkungen ihrer Selbstständigkeit feststellen können, zeigt sich die sozioökonomische Belastung durch steigende Kosten für die Gesundheitsversorgung und eine zunehmende Beanspruchung von Arbeitskräften. Leider gibt es noch keinen pharmakologischen Therapieansatz, der diesem Zustand wirksam vorbeugen oder ihn behandeln könnte. Für die weitere Erforschung der Sarkopenie sollte ein zuverlässiges Mausmodell etabliert werden. Myostatin (MSTN) oder GDF-8, ein Mitglied der Familie der transforming growth and differentiation factor (TGF), ist ein starker Inhibitor der Skelettmuskelmasse. Physiologisch reduziert es die Skelettmuskelmasse angepasst an den funktionellen Bedarf. Das Fehlen von MSTN sowohl bei Tieren mit einer natürlichen Loss-of-Function Mutation als auch in künstlichen Tiermodellen führt zu einer enormen Zunahme der Muskelmasse. Es liegt auf der Hand, dass der gegenteilige (sarkopene) Phänotyp durch eine Überexpression von Mstn hervorgerufen werden könnte. Dies macht MSTN zu einem vielversprechenden Kandidaten für eine genetische Modifikation, um Sarkopenie zu simulieren. Aufgrund der starken monogenetischen Auswirkung auf die Morphologie war es das Ziel dieser Arbeit, die möglichen Auswirkungen einer Überexpression von Mstn auf die Skelettmuskulatur zu analysieren. Daher wurde eine Mstn-überexprimierende Mauslinie erstellt und gründlich analysiert. Interessanterweise zeigten die Ergebnisse keinen signifikanten Einfluss auf das Gesamtkörpergewicht. Allerdings konnte bei homozygoten Mstn-überexprimierenden männlichen Mäusen eine signifikante Abnahme des Skelettmuskelgewichts der Hinterbeinmuskulatur festgestellt werden. Es konnte kein signifikanter Einfluss auf die Größe der Muskelfasern oder der Fasertypzusammensetzung nachgewiesen werden, jedoch zeigte sich eine leichte Tendenz hin zu kleineren Muskelfasern in Mstn-überexprimierenden männlichen Mäusen. Ferner zeigte sich keine Einwirkung auf die Griffkraft der Mäuse. Die Analyse mittels Next-Generation-Sequencing (NGS) von Muskeln Mstn-überexprimierender Mäuse ergab ein Muster von hoch- und herunterregulierten Genen, welches auf eine homöostatische Regulationsfunktion von MSTN hinweist. Darüber hinaus sollen die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für weitere genetische Modifikationen der Mstn-überexprimierenden Mauslinie in Richtung einer induzierbaren Genmodifikation bilden, um die Möglichkeiten der Forschung durch Kontrolle des Beginns der Überexpression zu erweitern.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Sarcopenia, Myostatin
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Böcker, Wolfgang