Skeletal muscle atrophy induces overall health problems and many related diseases in older adults. In particular, sarcopenia is related to lowered quality of life, decreased physical activity, high levels of morbidity and mortality owing to chronic diseases, and even falling. Despite the many clinical studies on skeletal muscle atrophy, a little study had been about the exact mechanism of skeletal muscle atrophy at the molecular level. In 2017, A disease code (ICD-10-CM) for skeletal muscle atrophy related to sarcopenia was announced to attempt a clinical approach in the United States. According to these approaches, non-invasive clinical treatment is the most effective method for treating skeletal muscle atrophy. The purpose of this study was to analyze the molecular mechanisms of muscular exercise and related skeletal muscle atrophy factors.
This systemic review focused on skeletal muscle atrophy and muscular exercise. The keywords were used on “MeSH: muscle atrophy OR skeletal muscle atrophy OR muscle OR atrophy AND physical exercise OR exercise OR exercise training” for English and Korean. This paper searched PubMED, OVIDMEDLINE, and EMBASE for literature consideration.
Skeletal muscle atrophy was related to a complex molecular network, and exercise affects IGF-1/Akt/mTOR signaling. The related skeletal muscle atrophy factors were evaluated as MurF1, MAFbx, IGF-1, and NFkB. We proposed new related factors such as ATF 4, Gadd45a, and p21; however, the results related to exercise were not shown in recent studies.
In conclusion, we identified skeletal muscle atrophy factors at the molecular level of muscle physiology, and these new factors may become an interesting field of study in clinical human trial and animal studies.
영양부족, 근육감소, 노화 그리고 운동부족으로 인한 골격근 위축은(muscle atrophy) 건강과 관련되는 여러 대사적 질병들을 유발한다[
골격근(skeletal muscle)은 우리 몸의 40%정도로 구성되어 있고, 운동과 대사의 균형적인 측면에서 매우 중요한 역할을 한다[
최근 세계보건기구(WHO)에서는 골격근 위축과 관련된 근감소증을 2017년에 질병 코드(ICD-10-CM)로 만들어 골격근 위축 관련 다양한 임상학적 연구를 진행하고 있다[
한편, 많은 선행 연구들에서 비침습적인 방법으로 운동이 골격근 위축에 매우 긍정적인 역할을 한다고 보고하고 있다[
세포 수준에서 주된 골격근 위축 인자는 E3 ubiquitin ligases인 muscle RING finger 1 (MuRF1)과 muscle atrophy F-box, AKA atrogin-1 (MAFbx) 등이 있다. 이 인자들은 세포 수준에서 노화(aging), 당질 코르티코이드(glucocorticoid)의 증가, 근육 사용 감소 등의 다양한 스트레스(stress)환경에서 골격근 위축기전으로 작용된다[
IGF-1과 인슐린(insulin) 작용으로 phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K)/Akt 경로를 통해 근육의 크기는 조절이 된다[
FoxOs집단은 근육 내 FoxO1부터 3으로 구성되어져 있고[
본 연구에서는 근육 위축이 이종 이량체 염기성 루신 지퍼(heterodimeric basic leucine zipper, bZIP) 전사인자의 하위인자인 전사인자 4 활성화 (ATF4: activating transcription factor 4)와 연관되어져 나타났다[
ATF4는 mTORC1의 하부 매개인자로서의 insulin/IGF-I 신호전달에 대한 동화작용을 유도한다[
앞서 이야기한 ATF4의 역할과 기능에서 새롭게 추가된 인자인 Gadd45a와 p21은 직접적으로ATF4에 영향을 준다. 이러한 두 요소들은 골격근 위축으로 인해 근육 내 많이 발생되는 것으로 보고되어졌다[
앞서 제시한 골격근 위축과 관련된 인자들이 운동을 통해 긍정적으로 개선되는 것을 알 수 있었다. 특히, 운동은 노화에서 몸 전체의 움직임을 통해 신체기능 또는 신체 수행 능력을 개선하고 골격근 비대(hypertrophy)와 근력(muscle strength)을 개선을 시키는 것으로 알려져 있다[
운동은 일반적으로 유산소운동, 저항성 운동 및 복합운동으로 구분되는데, 본 연구에서는 운동의 종류를 고려하지 않고 운동 자체로서의 효과를 분석해 보았다. 이러한 운동은 골격근 위축 또는 근감소증에서 IGF-1/Akt/mTOR 신호 경로를 통해 골격근 위축을 예방하는 것으로 보였다. 특정 지역 내에 거주하는 노인들을 대상으로(65세 이상) 12주간의 저항성 운동을 통해 혈액 수준에서 IGF-1의 긍정적인 개선 확인하였고, IGF-1이 증가하면 제지방량(lean body mass)이 증가하는 것을 확인할 수 있었다[
골격근 위축증은 복잡한 분자 신호 전달을 통해 진행되며, 본 연구에서는 운동이 전반적으로 IGF-1/Akt/mTOR의 신호 전달을 활성화시키고, 골격근 위축 관련 인자들인 MurF1 & MAFbx, IGF-1 및 NFkB 등에 긍정적으로 많은 역할을 하는 것으로 분석하였다. 특히, 본 연구에서는 골격근 위축에 관여하는 새로운 인자로 ATF4, Gadd45a와 p21에 대해 설명을 하였지만, 이와 관련하는 운동의 효과를 검증한 연구결과는 전무한 것으로 보였다. 그러나 골격근 위축에 동반되는 기존에 밝혀진 인자들 뿐만 아니라 새로운 인자들을 함께 운동과 훈련을 통해 분석한다면, 더욱 명확한 골격근의 감소와 증대에 관한 분자생물학적 기전분석결과를 기대할 수 있을 것이다.
이 논문 작성에 있어서 어떠한 조직으로부터 재정을 포함한 일체의 지원을 받지 않았으며, 논문에 영향을 미칠 수 있는 어떠한 관계도 없음을 밝힌다
Conceptualization: DY Seo; HS Bang; Formal analysis: JH Bae, HS Bang; Methodology: DY Seo; Project administration: JH Bae, HS Bang; Writing-original draft: DY Seo, YS Kwak; Writing-review & editing: YS Kwak
Summary of exercise-induced signaling pathway in skeletal muscle
Subjects | Exercise Types | Duration | Exercise Intensity | Significant | References |
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Human | RT | Acute bout | 8–12 repetitions at 80% of 1 RM | - Increase NFkB | Luke et al. [ |
Human | RT | Acute bout | 6 repetitions at 60% 1 RM | - Increase PI3K/Akt/mTOR | Jakob et al. [ |
Human | AT | 8 weeks | 8–12 repetitions at 60–70% of 1 RM | - Increase IGF-1 | Hung-Ting et al. [ |
Human | RT | Acute bout | 10 repetitions at 80% of 1 RM | - Increase Akt/mTOR | Rivas et al. [ |
Human | AT | 30 min | 75% of Maximal workload | - Increase Akt | Sakamoto et al. [ |
- Decrease GSK3 | |||||
Human | RT | 12 months | 3 times/week, 75-80% 1 RM | - Increase serum IGF-1 levels | Tsai et al. [ |
Rats | RT | 3 and 7 days | 20 min with 2.3% of body weight | - Increase LRP130/PGC-1alpha | Vechetti et al. [ |
- Inhibit ubiquitin-proteasome system | |||||
Rats | AT | 4 days | 3 min of 60% VO2R and 4 min of 80% VO2R | - Increase PGC-1alpha, mTOR, AMPK | Guilherme et al. [ |
RT, resistance exercise; AT, aerobic exercise; RM, Maximal reputation; VO2R, oxygen uptake reserve.