Magnesium (Mg) is a micronutrient essential to all vital processes and a quarter of body Mg is located in skeletal muscles where it is essential for fibers relaxation. It is widely known that a correct dietary Mg intake is associated to healthy skeletal muscles and to a reduced risk to develop sarcopenia. In western countries a latent risk of Mg deficiency is evident but this electrolyte imbalance is largely underestimated. Moreover, very little is known about the impact of Mg deficiency on skeletal muscle at the cellular and molecular levels and about its contribution in developing a sarcopenic and aged phenotype. With this aim, both in vivo and in vitro models of Mg deficiency were used. Mice fed two weeks with low Mg diets show a reduction in magnesemia and intramyocellular Mg content, which influences the expression of genes involved in muscle regeneration, protein catabolism, mitochondria dynamics, carbohydrates and lipids metabolism. To deeper investigate these pathways modulated by a low Mg status, in vitro experiments were performed on C2C12 myoblasts, both during myogenesis and on differentiated myotubes. New insights into the role of Mg during the myogenic process emerged. An interesting modulation of intracellular Mg content was observed during myogenesis and a coherent fluctuation in the levels of the Mg transporters TRPM7, MagT1 and SLC41A1 was found. Moreover, variations in extracellular Mg concentration impact on myoblasts fusion capacity and hence of the myogenic process in a ROS-dependent manner. C2C12-derived myotubes exposed to low Mg concentrations showed a reduced thickness, a compromised autophagic process and alterations in energy metabolism. Mg deficiency induced alterations of glucose metabolism and an increased fatty acids oxidation rate, with a consequent reduction of intracellular neutral lipids stores. This metabolic adaptation is accompanied by changes in the expression of contractile proteins and to a fast-to-slow phenotypic shift of the fibers. All these metabolic responses were found connected to the low Mg-dependent overproduction of nitric oxide which is able to modulate the activity of several target proteins and contribute to oxidative stress. Overall, Mg deficiency significantly impacts on skeletal muscle physiology and its effects overlap with typical features of a sarcopenic phenotype, thus suggesting that alterations in intramyocellular Mg status contribute to skeletal muscle aging.

Il magnesio (Mg), nella sua forma biologicamente attiva di catione, è un micronutriente essenziale per la vita. Circa il 25% del Mg totale dell’organismo si trova nel muscolo scheletrico, dove è fondamentale per il rilassamento delle fibre. Una corretta assunzione di Mg con la dieta è associata a salute muscolare e a un ridotto rischio di sarcopenia. Nei paesi occidentali si registra un elevato rischio di ipomagnesemia cronica ma questo deficit nutrizionale è largamente sottostimato e il suo impatto a livello delle cellule muscolari non è ben caratterizzato. Inoltre, non è chiaro il suo contributo nella patogenesi della sarcopenia. A questo scopo, in questo lavoro sono stati utilizzati modelli di ipomagnesemia sia in vivo che in vitro. Topi nutriti per due settimane con una dieta povera di Mg hanno mostrato a livello muscolare una significativa rimodulazione dell’espressione di geni coinvolti nella rigenerazione delle fibre, nel catabolismo delle proteine, nelle dinamiche mitocondriali e nel metabolismo sia glucidico che lipidico. Questi aspetti sono stati confermati e approfonditi in vitro su mioblasti C2C12. Nel corso della miogenesi, è stata osservata una modulazione sia del livello intracellulare di Mg che dell’espressione proteica di suoi trasportatori di membrana, tra cui TRPM7, MagT1 e SLC41A1. Inoltre concentrazioni extracellulari non fisiologiche di Mg influiscono sulla capacità dei mioblasti di fondersi tra loro e, di conseguenza, provocano un difetto in miogenesi. In particolare questo danno è risultato essere connesso alla eccessiva produzione di specie reattive dell’ossigeno in condizioni di Mg non fisiologiche. Esponendo miotubi differenziati a basse concentrazioni di Mg, sono stati osservati cambiamenti morfologici, una compromissione dell’autofagia e alterazioni del metabolismo energetico. In particolare, una riduzione del livello di Mg intracellulare porta a una riduzione della glicolisi e un aumento dell’ossidazione degli acidi grassi, con conseguente diminuzione delle riserve di lipidi neutri. Questo adattamento metabolico è accompagnato anche da variazioni nell’espressione delle proteine contrattili. Tutte queste risposte metaboliche osservate in cellule esposte a basso Mg sono risultate connesse ad un significativo aumento della sintesi di ossido nitrico, una molecola segnale in grado di modulare l’attività di proteine target e di contribuire allo stress ossidativo. In conclusione, un deficit di Mg esercita un significativo impatto sulla fisiologia del muscolo scheletrico e gli effetti osservati sono sovrapponibili a caratteristiche tipiche della sarcopenia. Ciò suggerisce che alterazioni dell’omeostasi del Mg contribuiscano attivamente all’invecchiamento delle fibre muscolari.

NUTRITIONAL ASPECTS OF MUSCULOSKELETAL PATHOPHYSIOLOGY: FOCUS ON MAGNESIUM / M. Zocchi ; tutor: G. V. Zuccotti, R. Cazzola ; supervisori: S. Castiglioni, J. Maier. - : . Dipartimento di Scienze Biomediche e Cliniche, 2022. ((35. ciclo, Anno Accademico 2022.

NUTRITIONAL ASPECTS OF MUSCULOSKELETAL PATHOPHYSIOLOGY: FOCUS ON MAGNESIUM

M. Zocchi
2022

Abstract

Il magnesio (Mg), nella sua forma biologicamente attiva di catione, è un micronutriente essenziale per la vita. Circa il 25% del Mg totale dell’organismo si trova nel muscolo scheletrico, dove è fondamentale per il rilassamento delle fibre. Una corretta assunzione di Mg con la dieta è associata a salute muscolare e a un ridotto rischio di sarcopenia. Nei paesi occidentali si registra un elevato rischio di ipomagnesemia cronica ma questo deficit nutrizionale è largamente sottostimato e il suo impatto a livello delle cellule muscolari non è ben caratterizzato. Inoltre, non è chiaro il suo contributo nella patogenesi della sarcopenia. A questo scopo, in questo lavoro sono stati utilizzati modelli di ipomagnesemia sia in vivo che in vitro. Topi nutriti per due settimane con una dieta povera di Mg hanno mostrato a livello muscolare una significativa rimodulazione dell’espressione di geni coinvolti nella rigenerazione delle fibre, nel catabolismo delle proteine, nelle dinamiche mitocondriali e nel metabolismo sia glucidico che lipidico. Questi aspetti sono stati confermati e approfonditi in vitro su mioblasti C2C12. Nel corso della miogenesi, è stata osservata una modulazione sia del livello intracellulare di Mg che dell’espressione proteica di suoi trasportatori di membrana, tra cui TRPM7, MagT1 e SLC41A1. Inoltre concentrazioni extracellulari non fisiologiche di Mg influiscono sulla capacità dei mioblasti di fondersi tra loro e, di conseguenza, provocano un difetto in miogenesi. In particolare questo danno è risultato essere connesso alla eccessiva produzione di specie reattive dell’ossigeno in condizioni di Mg non fisiologiche. Esponendo miotubi differenziati a basse concentrazioni di Mg, sono stati osservati cambiamenti morfologici, una compromissione dell’autofagia e alterazioni del metabolismo energetico. In particolare, una riduzione del livello di Mg intracellulare porta a una riduzione della glicolisi e un aumento dell’ossidazione degli acidi grassi, con conseguente diminuzione delle riserve di lipidi neutri. Questo adattamento metabolico è accompagnato anche da variazioni nell’espressione delle proteine contrattili. Tutte queste risposte metaboliche osservate in cellule esposte a basso Mg sono risultate connesse ad un significativo aumento della sintesi di ossido nitrico, una molecola segnale in grado di modulare l’attività di proteine target e di contribuire allo stress ossidativo. In conclusione, un deficit di Mg esercita un significativo impatto sulla fisiologia del muscolo scheletrico e gli effetti osservati sono sovrapponibili a caratteristiche tipiche della sarcopenia. Ciò suggerisce che alterazioni dell’omeostasi del Mg contribuiscano attivamente all’invecchiamento delle fibre muscolari.
ZUCCOTTI, GIAN VINCENZO
PINOTTI, LUCIANO
Magnesium (Mg) is a micronutrient essential to all vital processes and a quarter of body Mg is located in skeletal muscles where it is essential for fibers relaxation. It is widely known that a correct dietary Mg intake is associated to healthy skeletal muscles and to a reduced risk to develop sarcopenia. In western countries a latent risk of Mg deficiency is evident but this electrolyte imbalance is largely underestimated. Moreover, very little is known about the impact of Mg deficiency on skeletal muscle at the cellular and molecular levels and about its contribution in developing a sarcopenic and aged phenotype. With this aim, both in vivo and in vitro models of Mg deficiency were used. Mice fed two weeks with low Mg diets show a reduction in magnesemia and intramyocellular Mg content, which influences the expression of genes involved in muscle regeneration, protein catabolism, mitochondria dynamics, carbohydrates and lipids metabolism. To deeper investigate these pathways modulated by a low Mg status, in vitro experiments were performed on C2C12 myoblasts, both during myogenesis and on differentiated myotubes. New insights into the role of Mg during the myogenic process emerged. An interesting modulation of intracellular Mg content was observed during myogenesis and a coherent fluctuation in the levels of the Mg transporters TRPM7, MagT1 and SLC41A1 was found. Moreover, variations in extracellular Mg concentration impact on myoblasts fusion capacity and hence of the myogenic process in a ROS-dependent manner. C2C12-derived myotubes exposed to low Mg concentrations showed a reduced thickness, a compromised autophagic process and alterations in energy metabolism. Mg deficiency induced alterations of glucose metabolism and an increased fatty acids oxidation rate, with a consequent reduction of intracellular neutral lipids stores. This metabolic adaptation is accompanied by changes in the expression of contractile proteins and to a fast-to-slow phenotypic shift of the fibers. All these metabolic responses were found connected to the low Mg-dependent overproduction of nitric oxide which is able to modulate the activity of several target proteins and contribute to oxidative stress. Overall, Mg deficiency significantly impacts on skeletal muscle physiology and its effects overlap with typical features of a sarcopenic phenotype, thus suggesting that alterations in intramyocellular Mg status contribute to skeletal muscle aging.
Magnesium; skeletal muscle; sarcopenia; lipid metabolism; oxidative stress
Settore MED/04 - Patologia Generale
NUTRITIONAL ASPECTS OF MUSCULOSKELETAL PATHOPHYSIOLOGY: FOCUS ON MAGNESIUM / M. Zocchi ; tutor: G. V. Zuccotti, R. Cazzola ; supervisori: S. Castiglioni, J. Maier. - : . Dipartimento di Scienze Biomediche e Cliniche, 2022. ((35. ciclo, Anno Accademico 2022.
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