The impact of aging on proteolytic systems, transcriptome and metabolome of slow and fast muscle fiber types

English. Aging is a complex process characterized by several factors, including loss of genetic and epigenetic information, accumulation of chronic oxidative stress, protein damage and aggregates and it is becoming an emergent drug target. Therefore, it is the utmost importance to study aging and agerelated diseases, to provide treatments to develop a healthy aging process. Skeletal muscle is one of the earliest tissues affected by age-related changes with progressive loss of muscle mass and function from 30 years old, effect known as sarcopenia. Several studies have shown the accumulation of protein aggregates in different animal models, as well as in humans, suggesting impaired proteostasis, a hallmark of aging, especially regarding degradation systems. Thus, different publications have explored the role of the main proteolytic systems in skeletal muscle from rodents and humans, like ubiquitin proteasomal system (UPS) and autophagy lysosomal system (ALS), however with contradictory results. Yet, most of the published studies are performed in muscles that comprise more than one fiber type, that means, muscles composed by slow and fast fibers. These fiber types, exhibit different metabolism and contraction speed; the slow fibers or type I display an oxidative metabolism, while fast fibers function towards a glycolytic metabolism ranging from fast oxidative to fast glycolytic fibers. To this extent, the aim of this thesis sought to understand on how aging impacts both fiber types not only regarding proteostasis but also at a metabolome and transcriptome network levels. Therefore, the first part of this thesis, presents the differences between slow oxidative (from Soleus muscle) and fast glycolytic fibers (Extensor digitorum longus, EDL) in terms of degradation systems and how they cope with oxidative stress during aging, while the second part explores the differences between young and old EDL muscle transcriptome and metabolome, unraveling molecular features. More specifically, the results from the present work show that slow oxidative muscle performs better at maintaining the function of UPS and ALS during aging than EDL muscle, which is clearly affected, accounting for the decline in the catalytic activity rates and accumulation of autophagy-related proteins. Strinkingly, transcriptome and metabolome analyses reveal that fast glycolytic muscle evidences significant downregulation of mitochondrial related processes and damaged mitochondria morphology during aging, despite of having a lower oxidative metabolism compared to oxidative fibers. Moreover, predictive analyses reveal a negative association between aged EDL gene signature and lifespan extending interventions such as caloric restriction (CR). Although, CR intervention does not alter the levels of mitochondrial markers in aged EDL muscle, it can reverse the higher mRNA levels of muscle damage markers. Together, the results from this thesis give new insights about how different metabolic muscle fibers cope with age-related changes and why fast glycolytic fibers are more susceptible to aging than slow oxidative fibers.

German. Altern ist ein komplexer Prozess, der durch mehrere Faktoren gekennzeichnet ist, darunter der Verlust genetischer und epigenetischer Informationen, oxidativer Stress, sowie die Anhäufung von Proteinschäden und Aggregaten. Daher ist es von größter Bedeutung, das Altern und altersbedingte Krankheiten zu erforschen, um Arzneimittel und andere Behandlungen für einen gesunden Alterungsprozess zu entwickeln. Die Skelettmuskulatur ist eines der ersten Gewebe, das von altersbedingten Veränderungen betroffen ist. Ab einem Alter von 30 Jahren kommt es zu einem fortschreitenden Verlust der Muskelmasse und -funktion, der auch als Sarkopenie bezeichnet wird. Mehrere Studien haben die Anhäufung von Proteinaggregaten beim Altern in verschiedenen Tiermodellen und auch beim Menschen gezeigt, was auf eine gestörte Proteostase, insbesondere hinsichtlich der Abbauprozesse schließen lässt. Demnach wurde weiterführend die Rolle der wichtigsten proteolytischen Systeme, das Ubiquitin Proteasom System (UPS) und AutophagieLysosomale System (ALS), im alternden Skelettmuskel von Nagetieren und Menschen untersucht. Die Ergebnisse waren widersprüchlich, jedoch wurden die meisten der veröffentlichten Studien an Muskeln durchgeführt, die aus mehr als einem Muskelfasertyp bestehen, d.h. Muskeln, die aus langsamen und schnellen Muskelfasern zusammengesetzt sind. Diese Muskelfasertypen unterscheiden sich hinsichtlich des Stoffwechsels und der Kontraktionsgeschwindigkeit. Die langsamen Fasern oder der Typ I haben einen oxidativen Stoffwechsel, während die schnellen Fasern einen glykolytischen Stoffwechsel aufweisen und aus schnellen oxidativen bis zu schnellen glykolytischen Fasern bestehen können. Insofern war es das Ziel dieser Arbeit zu verstehen, wie sich das Altern auf beide Fasertypen auswirkt, und zwar nicht nur im Hinblick auf die Proteostase, sondern auch auf das Metabolom und Transkriptom. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Unterschiede zwischen langsamen oxidativen (Soleus-Muskel) und schnellen glykolytischen Fasern (Extensor digitorum longus-Muskel; EDL) in Bezug auf die Proteinabbausysteme und die Art und Weise, wie sie mit oxidativem Stress während des Alterns umgehen, dargestellt. Im zweiten Teil werden die Unterschiede zwischen dem Transkriptom und dem Metabolom des jungen und alten EDL-Muskels untersucht, um die molekularen Merkmale zu entschlüsseln. Im Einzelnen zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der langsam oxidierende Muskel im Vergleich zum EDL-Muskel besser in der Lage ist, die Funktion von UPS und ALS während des Alterns aufrechtzuerhalten. Die Funktionalität des UPS und ALS ist im alternden EDL-Muskels vermindert, was durch den Rückgang der katalytischen Aktivitätsraten und die Anhäufung von mit Autophagie-assoziierten Proteinen gezeigt wurde. Transkriptom- und Metabolomanalysen zeigen, dass schnelle glykolytische Muskeln eine signifikante Herabregulierung mitochondrialer Prozesse und eine geschädigte Mitochondrienmorphologie während des Alterns aufweisen, obwohl sie im Vergleich zu oxidativen Fasern durch einen geringeren oxidativen Stoffwechsel charakterisiert sind. Darüber hinaus ergeben prädiktive Analysen einen negativen Zusammenhang zwischen der Gensignatur des gealterten EDL-Muskels und lebensverlängernden Maßnahmen wie der kalorischenRestriktion. Obwohl die kalorischen Restriktion Intervention die Werte der mitochondrialen Marker im gealterten EDL-Muskel nicht verändert, kann sie die höheren mRNA-Werte der Muskelschädigungsmarker umkehren. Zusammenfassend liefern die Ergebnisse dieser Arbeit neue Erkenntnisse darüber, wie verschiedene metabolische Muskelfasern mit altersbedingten. Veränderungen umgehen und warum schnelle glykolytische Fasern anfälliger für die Alterung als langsame oxidative Fasern sind.