Genómica muscular 2023

Resumen En este estudio, se exploró la influencia de factores genómicos y epigenéticos en el rendimiento en la actividad física, específicamente en relación con la función muscular. Se utilizaron recursos bioinformáticos para analizar la expresión de genes asociados con la función muscular en muestras de vasto lateral, empleando datos de micro matrices de ADN de la base de datos GEO DataSet del NCBI (número de serie GSE117070).

La expresión diferencial de genes se calculó mediante la ecuación de la ratio Z, y se construyó una red de interacción proteína-proteína con genes sobre expresados utilizando el software Cytoscape 3.6. En el análisis de 41 individuos sometidos a ejercicio aeróbico con incremento en la intensidad del entrenamiento a través del porcentaje de VO2máx, se identificaron siete genes sobre expresados de los 397 analizados, según el enfoque estadístico.

La red de Interacción Proteína-Proteína (PPI) mostró 477 nodos, dos componentes conectados, 17 pares de nodos de múltiples bordes y un número promedio de vecinos de 2.092. El nodo con mayor número de interacciones fue TPM1 con 150. Las categorías GO de procesos biológicos más relevantes de la red incluyeron procesos indispensables para la función y contracción muscular, como la polimerización de filamentos de actina y la síntesis de ATP a partir de la cadena de transporte de electrones.

INTRODUCCIÓN En este estudio se examina cómo el tipo de ejercicio y la carga de entrenamiento afectan la contracción muscular y el VO2máx, que representa la máxima capacidad del cuerpo para absorber, transportar y consumir oxígeno por unidad de tiempo. Se destaca que el VO2máx está influenciado por cambios metabólicos y diversas isoformas proteicas a nivel de fibra, los cuales son regulados por la funcionalidad del genoma.

La regulación del VO2máx se relaciona con variaciones en las secuencias de ADN, la metilación de regiones promotoras y codificantes de genes, cambios en la estructura de la cromatina, regulación homeótica de genes y la acción de pequeñas moléculas de ARN, conocidas como microARN, en el músculo esquelético.

Aunque los procesos fisiológicos tradicionales como la edad, composición corporal, sexo y grado de entrenamiento influyen en el rendimiento físico, se destaca la importancia de los procesos genómicos globales en las manifestaciones complejas de rendimiento deportivo.

Se menciona la posible participación de mecanismos epigenéticos que podrían realizar modificaciones transcripcionales en el músculo esquelético, induciendo cambios en la expresión génica sin alterar la secuencia de nucleótidos, y potencialmente generando polimorfismos en un pequeño porcentaje de casos.

En conjunto, estos hallazgos resaltan la complejidad de los factores genómicos y epigenéticos en la adaptación del cuerpo al ejercicio y su impacto en el rendimiento físico.

Actualmente, los estudios con micro matrices de ADN permiten explorar cambios en la transcripción genética del músculo esquelético, previamente caracterizado genéticamente según factores como edad, sexo, fuerza y resistencia muscular. Histonas de señalización, la unión de factores de transcripción y modificaciones químicas en el ADN pueden influir o reflejar programas de expresión musculoesquelética, impactando la actividad de las isoformas que realizan la contracción mediante señalización molecular.

Los ejercicios de velocidad favorecen el desarrollo de fibras musculares de contracción rápida, mientras que los ejercicios de resistencia o aeróbicos promueven fibras de contracción lenta. Esta comprensión es esencial para mejorar la planificación deportiva, considerando no solo el cambio fenotípico, como el consumo de oxígeno en el ejercicio aeróbico, sino también para identificar marcadores de tipos de fibra y otras modificaciones metabólicas, reflejadas en el transcriptoma muscular.

En este contexto, el objetivo del estudio fue analizar la expresión génica de genes asociados con la función muscular en muestras de vasto lateral. Se utilizaron datos de micro matrices de ADN de la base de datos GEO DataSet del NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gds/), específicamente el conjunto GSE117070.

La expresión diferencial se evaluó mediante la relación Z, identificándose genes sobre expresados y sub expresados relacionados con la función muscular después de un entrenamiento incremental de 20 semanas. Estos hallazgos proporcionan información valiosa para entender los cambios genéticos asociados al entrenamiento y su impacto en la función muscular, contribuyendo así a la mejora de estrategias de planificación deportiva.

MATERIALES Y MÉTODOS En este estudio de análisis bioinformático, se seleccionaron 397 genes asociados con la función muscular a partir de la base de datos Gene Entrez del NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene). Se utilizaron los valores de expresión transformados de intensidad log2 de un experimento de micro matrices de ADN registrado en la base de datos GEO con el código GSE117070 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE1170 70) de Bouchard (1995).

El experimento incluyó datos de expresión genética de más de 43,797 sondas de 82 muestras del músculo cuádriceps (vasto lateral) de 90 caucásicos y 40 afroamericanos, con edades comprendidas entre 17 y 65 años. Se dividieron en categorías de "hijos" (17-40 años) y "padres" (40-65 años). Los participantes no debían haber realizado actividad física en los últimos 3 meses ni tener enfermedades crónicas no contagiosas. Todos fueron evaluados antes y después de un programa de ejercicio aeróbico de 20 semanas.

A diferencia de los estudios habituales, no hubo un grupo de control separado, ya que los participantes sirvieron como sus propios controles antes y después del programa de 20 semanas. Los perfiles de expresión génica se determinaron a partir de biopsias musculares, y se realizaron análisis de micro matrices de Affymetrix tanto al inicio como al final del programa de ejercicio aeróbico de 20 semanas.

El programa de entrenamiento se estructuró de la siguiente manera: en las primeras dos semanas, se realizó ejercicio al 55% del VO2máx, con tres sesiones de 30 minutos cada semana. En las siguientes dos semanas, la intensidad se mantuvo al 55%, pero se aumentó la duración a tres sesiones de 35 minutos semanalmente. Este patrón se repitió para las siguientes dos semanas, pero con la intensidad elevada al 65% del VO2máx y la duración aumentada a 40 minutos por sesión.

El proceso continuó con incrementos graduales en la intensidad y duración del ejercicio, alcanzando finalmente seis semanas de entrenamiento al 75% del VO2máx, con tres sesiones de 50 minutos cada semana. Todo el programa se llevó a cabo en un cicloergómetro con monitorización continua de la frecuencia cardíaca, según el protocolo establecido por Bouchard en 1995. Aunque este enfoque se ha utilizado previamente, este estudio se centró en analizar los genes asociados con la función muscular antes y después de la implementación del programa de entrenamiento.

Se utilizó el software Cytoscape 3.6 para construir una red de expresión e interacción a partir de una matriz creada con información de interacciones físicas de proteínas de la base de datos BioGRID. Las categorías ontológicas se extrajeron con el complemento BiNGO en Cytoscape 3.2, conectado a la base de datos Gene Ontology, revelando los procesos biológicos más relevantes de la red con sus valores p ajustados mediante Bonferroni. Diez procesos con los valores p más significativos fueron seleccionados para el análisis.

Se realizaron análisis estadísticos para comparar los valores medios de la puntuación Z entre individuos postentrenamiento y pre-entrenamiento. Se empleó la prueba de rango con signo de Wilcoxon para calcular las diferencias entre las medias de dos muestras. Además, se utilizó la prueba t para dos muestras pareadas en los valores log2 de Post-entrenado y Pre-entrenado. Se fijó un nivel de significancia de alfa .05 para todas las pruebas.

El análisis de componentes principales (PCA) se empleó para clasificar la expresión génica multiclase en muestras de biopsias musculares de individuos en condiciones postentrenamiento y pre-entrenamiento. Todos los análisis se llevaron a cabo en el programa SPSS, versión 25.

De los 397 genes analizados en las muestras de músculo vasto lateral, siete de ellos mostraron una significativa sobreexpresión.

Estos genes identificados como Tropomiosina 1 (TPM1), Colágeno tipo IV cadena alfa 1 (COL4A1), Factor miogénico 5 (MYF5), Moesina (MSN), Factor de intercambio de nucleótidos Rho guanina 10 (ARHGEF10), Transglutaminasa 2 (TGM2) y Dominio YTH que contiene 1 (YTHDC1), representaron el 1,9% de los genes analizados. Esta sobreexpresión de genes proporciona una explicación significativa del comportamiento del VO2 en relación con la actividad del músculo esquelético en la población estudiada.

La red de Interacción ProteínaProteína (PPI) construida con los siete genes sobre expresados relacionados con la función muscular reveló un total de 477 nodos, dos componentes conectados, 17 pares de nodos de múltiples bordes y un número promedio de vecinos de 2.092 (Figura 1). En esta red, el nodo con el mayor número de interacciones fue TPM1 con 150, seguido de cerca por MSN con 142.

Las categorías de procesos biológicos más relevantes identificadas en la red incluyen funciones esenciales para la función y contracción muscular, como la polimerización de filamentos de actina (p. valor 2,57E-14) y la síntesis de ATP a partir de la cadena de transporte de electrones (p valor 1,58E-13).

Según la red de coexpresión realizada en GENEMANÍA, las funciones asociadas de manera relevante fueron la contracción muscular y la organización de la matriz extracelular. Estos hallazgos subrayan la importancia de los genes sobre expresados en procesos biológicos cruciales para la función muscular, proporcionando una visión detallada de las interacciones y funciones específicas dentro de la red de genes analizada.

El análisis de componentes principales (PCA) reveló que antes del entrenamiento se logró explicar el 76% de la varianza en los datos con dos componentes (Figura 3).

Después del entrenamiento, este porcentaje aumentó ligeramente a un 78% con dos componentes (Figura 4). Este aumento sugiere una mejora en la capacidad del modelo para representar la variabilidad de los datos después del proceso de entrenamiento.

DISCUSIONES Y CONCLUSIONES En este estudio, se llevó a cabo un análisis de la expresión génica en muestras de vasto lateral de músculo esquelético humano después de 20 semanas de ejercicio aeróbico. Se identificaron varios genes sobre expresados, incluyendo TPM1, COL4A1, MYF5, MSN, ARHGEF10, TGM2 y YTHDC1, que desempeñan roles importantes en la estructura y remodelación de la matriz/actina, así como en la mecanotranducción muscular.

Se observó que la sobreexpresión de estos genes podría afectar la función muscular y la regulación de otros genes asociados, según se evidenció en la red de interacción proteína-proteína (PPI). Los hallazgos coinciden con investigaciones previas, como el trabajo de Turner et al.

(2019), que identificó genes relacionados con la función muscular en el ejercicio aeróbico.

Se destacan genes como MSN y COL4A1, que están asociados con la estructura y remodelación muscular, y cuya expresión aumenta después del ejercicio aeróbico y la resistencia.

Además, se menciona la importancia de la adaptación muscular, que depende de la frecuencia, duración e intensidad del ejercicio.

En particular, se resalta la sobreexpresión del gen MYF5, que actúa como un activador transcripcional promoviendo la transcripción de genes específicos del músculo. Estos resultados contribuyen a la comprensión de las adaptaciones genéticas y moleculares en el músculo esquelético en respuesta al ejercicio aeróbico a largo plazo.

En este estudio, se exploró el papel de diversos factores, como proteínas, actividad, factores epigenéticos y entrenamiento, en la diferenciación muscular durante el ejercicio aeróbico y glucolítico.

Se observaron desregulaciones en la distribución de la cadena pesada de miosina y la regulación de las proteínas de los filamentos en vastos laterales y sóleo.

En términos de regulación epigenética, el estudio sugiere que los genes del músculo esquelético están influenciados por la carga de entrenamiento, con metilación del ADN predominante a través de hipometilación. Se resaltó la regulación positiva de genes asociados con la estructura y remodelación de la matriz y el citoesqueleto, así como la mecanotransducción del músculo esquelético.

En resumen, el estudio proporciona información clave sobre la regulación genética y epigenética en el músculo esquelético en respuesta al ejercicio aeróbico, destacando la importancia de genes específicos, procesos de remodelación y la posible influencia de la glutamina en la recuperación muscular.

Referencias Mina-Paz, Y., Zambrano, D. C., Matta, A. J., Rodríguez, A., & García-Vallejo, F. (2022). Muscle genomics and aerobic training.