Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/43527
Title: Ruolo della ciclina D3 nello sviluppo e nella funzione del muscolo scheletrico
Other Titles: Role of cyclin D3 in the function and development of skeletal muscle
Authors: Giannattasio, Silvia
Keywords: Ciclina;Muscolo;Sviluppo;Metabolismo;Cyclin;Muscle;Development;Metabolism;BIO/11
Issue Date: 5-May-2016
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 28. ciclo
Abstract: 
La ciclina D3 appartiene alla famiglia delle cicline D (D1, D2 e D3) la cui espressione è indotta da stimoli extracellulari nella fase G1 precoce del ciclo cellulare. La funzione fondamentale delle cicline D è quella di portare le cellule quiescenti dalla fase G0 alla fase G1 iniziando la fosforilazione della proteina retinoblastoma (pRb) in associazione con le chinasi partner CDK4 e CDK6. Inoltre, le cicline D possono funzionare da co-regolatori trascrizionali e modulare processi metabolici, anche in cellule non proliferanti, in risposta a stimoli come nutrienti, ormoni ed oncogeni.
La ciclina D3 esercita funzioni fisiologicamente rilevanti nelle cellule progenitrici del muscolo scheletrico dato che la sua espressione è indotta dal fattore regolatore miogenico MyoD durante la transizione dallo stato proliferativo allo stato differenziativo. Inoltre, la ciclina D3 è l’unica ciclina che si accumula nelle cellule muscolari differenziate post-mitotiche formando complessi inattivi con CDK4 e p21 e mediando la loro interazione con pRb ipofosforilato.
Utilizzando un modello di topo privo di ciclina D3 (ciclina D3-/-) il nostro laboratorio ha recentemente dimostrato che la ciclina D3 svolge un ruolo, non ridondante, nella stimolazione del potenziale proliferativo e della capacità di “self-renewal” delle cellule staminali del muscolo scheletriche (anche chiamate cellule satellite) durante la rigenerazione muscolare. Inoltre, la ciclina D3 promuove l’espressione dell’inibitore delle chinasi ciclina dipendenti p21, partecipando così al processo di arresto del ciclo cellulare e favorendo quindi il differenziamento. In questa tesi, abbiamo ulteriormente esaminato le proprietà delle cellule satellite prive di ciclina D3 analizzando stadi tardivi del processo di rigenerazione muscolare. I risultati ottenuti indicano che l’accrescimento delle fibre rigenerate è ritardato in assenza di ciclina D3, così come è ritardato il ritorno delle cellule satellite attivate allo stato di quiescenza.
Inoltre, i risultati ottenuti nel mio lavoro di tesi hanno messo in evidenza che la ciclina D3 può essere coinvolta nel controllo dell’espressione genica nelle miofibre mature, aprendo così nuovi scenari di studio della funzione di questa ciclina che esulano dal suo ruolo chiave nel ciclo cellulare. Abbiamo, infatti, osservato che, se confrontati a muscoli normali (wild-type), i muscoli di topi ciclina D3-/- esprimono livelli più elevati di geni che codificano per proteine specificamente espresse nelle miofibre a contrazione lenta e metabolismo ossidativo, come ad
esempio le catene pesanti delle miosine di tipo I e IIa. Il profilo di espressione genica globale di muscoli ciclina D3-/- e muscoli wild-type, ottenuto tramite sequenziamento dell’mRNA, ha confermato l’induzione di un numero considerevole di geni specifici delle miofibre lente/ossidative in assenza di ciclina D3.
È noto che la propensità del muscolo scheletrico ad un metabolismo di tipo ossidativo conferisce resistenza all’affaticamento muscolare. Abbiamo, pertanto, sottoposto topi ciclina D3-/- e wild-type, mai allenati, ad un esercizio fisico aerobico (corsa su treadmill) fino all’esaurimento della loro capacità di sostenerlo. I risultati ottenuti indicano che topi D3-/- sono capaci di correre per più tempo e di percorrere distanze maggiori rispetto ai controlli wild-type.
Siccome il muscolo scheletrico fornisce il maggior contributo al metabolismo energetico globale, abbiamo misurato, tramite calorimetria indiretta, i cambiamenti circadiani nella spesa energetica e nel quoziente respiratorio di topi D3-/- e nei controlli wild-type. Nel complesso le nostre osservazioni supportano l’idea che la spesa energetica è aumentata e la capacità di ossidazione dei lipidi è migliore negli animali ciclina D3-/- , cosa che è in accordo con l’aumentata espressione di geni specifici delle miofibre ossidative e con la capacità di questi animali di sostenere un esercizio aerobico di lunga durata.

Cyclin D3 belongs to the family of D-type cyclins (D1, D2 and D3) whose expression is induced by extracellular stimuli in the early G1 phase of the cell cycle. A fundamental function of D-type cyclins is to drive quiescent G0 cells into G1 by initiating phosphorylation of pRb in association with partner kinases CDK4 and CDK6. Furthermore, D-type cyclins can play non-redundant, cell cycle-independent functions as transcription co-regulators and can modulate metabolic processes, even in non proliferating cells, in response to stimuli such as nutrients, hormones, or oncogenes.
Cyclin D3 performs physiologically relevant functions in the context of skeletal muscle progenitor cells as its expression is induced by the master myogenic regulatory factor MyoD during the transition from the proliferation to the differentiation stage. Moreover, cyclin D3 is the only cyclin that accumulates in differentiated muscle cells that are no longer cycling by forming kinase-inactive complexes with CDK4 and p21 and mediating their interaction with hypophosphorylated pRb.
By using a cyclin D3-null mouse model, our laboratory has recently shown that cyclin D3 plays a cell autonomous, non-redundant function in stimulating the proliferative potential and self-renewal capability of skeletal muscle stem cells (also called satellite cells) during muscle regeneration. Furthermore, cyclin D3 promotes the expression of the cyclin-dependent-kinase inhibitor p21, thus participating in the process arresting the cell cycle and favouring differentiation.
In this thesis, we have further examined the properties of cyclin D3-null satellite cells by analyzing late stages of damage-induced muscle regeneration. In the absence of cyclin D3, we observed a delay in the growth of regenerated myofibers, as well as in the return of satellite cells to the quiescent state after activation.
In addition, we provide evidence that cyclin D3 may also be implicated in the control of mature myofiber-specific gene expression. Indeed, we observed an increase in the transcript levels of slow-twitch and oxidative myofibre genes, such as myosin heavy chain type-I and IIa, in muscles from adult cyclin D3-/- mice compared with wild type muscles. A global expression profile of cyclin D3-null and wild-type muscles, through mRNA sequencing, confirmed that a considerable number of genes specifically expressed in slow/oxidative myofibers are induced in the absence of cyclin D3.
The skeletal muscle capacity for oxidative metabolism is a crucial factor for determining endurance and fatigue; therefore, we subjected untrained cyclin D3-/- mice and wild-type littermates to treadmill running until exhaustion. Strikingly, the running time and distance cyclin D3 knockout mice were able to sustain were significantly increased compared to wild type controls.
Given that skeletal muscle provides the major contribution to whole-body energy metabolism, by the means of indirect calorimetry, we assessed the circadian changes in energy expenditure and the
respiratory exchange ratio of cyclin D3-null compared to wild-type mice. Overall, our observations support the idea that energy expenditure is enhanced and capacity for fat oxidation improved in cyclin D3-/- mice, which is in agreement with the increased expression of oxidative myofiber genes and running endurance displayed by these mice.
Description: 
Dottorato di ricerca in Genetica e biologia cellulare
URI: http://hdl.handle.net/2067/43527
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