Biochemical and Molecular Mechanisms of Glucose Uptake Stimulated by Physical Exercise in Insulin Resistance State: Role of Inflammation / Mecanismos Bioquímicos e Moleculares da Captação da Glicose Estimulada pelo Exercício Físico no Estado de Resistência à Insulina: Papel da Inflamação

Abstract Obesity associated with systemic inflammation induces insulin resistance (IR), with consequent chronic hyperglycemia. A series of reactions are involved in this process, including increased release of proinflammatory cytokines, and activation of c-Jun N-terminal kinase (JNK), nuclear factor-kappa B (NF-κB) and toll-like receptor 4 (TLR4) receptors. Among the therapeutic tools available nowadays, physical exercise (PE) has a known hypoglycemic effect explained by complex molecular mechanisms, including an increase in insulin receptor phosphorylation, in AMP-activated protein kinase (AMPK) activity, in the Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase (CaMKK) pathway, with subsequent activation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α), Rac1, TBC1 domain family member 1 and 4 (TBC1D1 and TBC1D4), in addition to a variety of signaling molecules, such as GTPases, Rab and soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attached protein receptor (SNARE) proteins. These pathways promote greater translocation of GLUT4 and consequent glucose uptake by the skeletal muscle. Phosphoinositide-dependent kinase (PDK), atypical protein kinase C (aPKC) and some of its isoforms, such as PKC-iota/lambda also seem to play a fundamental role in the transport of glucose. In this sense, the association between autophagy and exercise has also demonstrated a relevant role in the uptake of muscle glucose. Insulin, in turn, uses a phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-dependent mechanism, while exercise signal may be triggered by the release of calcium from the sarcoplasmic reticulum. The objective of this review is to describe the main molecular mechanisms of IR and the relationship between PE and glucose uptake.

Resumo A obesidade associada à inflamação sistêmica induz resistência à insulina (RI), com consequente hiperglicemia crônica. Este processo envolve o aumento na liberação de citocinas pró-inflamatórias, ativação da enzima c-Jun N-terminal cinase (JNK), do fator nuclear kappa-B (NF-κB) e dos receptores do tipo Toll 4 (TLR4). Dentre as ferramentas terapêuticas disponíveis, o exercício físico (EF) tem efeito hipoglicemiante conhecido, explicado por mecanismos moleculares complexos. Dentre eles, ocorre aumento na fosforilação do receptor da insulina, na atividade da proteína quinase ativada por AMP (AMPK), na via da proteína cinase cinase dependente de Ca+2/calmodulina (CaMKK), com posterior ativação do coativador-1α do receptor ativado por proliferador do peroxissoma (PGC-1α), proteínas Rac1, TBC1 membro das famílias de domínio 1 e 4 (TBC1D1 e TBC1D4), além de uma variedade de moléculas de sinalização, como as proteínas GTPases, Rab e proteína solúvel de fusão sensível a N-etil-maleimida (SNARE); estas vias promovem maior translocação de transportador de glicose do tipo 4 (GLUT4) e consequente captação de glicose pelo músculo esquelético. A cinase fosfatidilinositol-dependente (PDK), proteína quinase C atípica (aPKC) e algumas das suas isoformas, como a PKC-iota/lambda também parecem desempenhar papel fundamental no transporte de glicose. Nesse sentido, a associação entre autofagia e EF também tem demonstrado papel relevante na captação de glicose muscular. A insulina, por sua vez, utiliza um mecanismo dependente da fosfatidilinositol-3-quinase (PI3K), enquanto que o sinal do EF pode ter início mediante liberação de cálcio pelo retículo sarcoplasmático e concomitante ativação da AMPK. O objetivo desta revisão é descrever os principais mecanismos moleculares da RI e da relação entre o EF e a captação de glicose.

Avaliação do mecanismo epigenético por metilação do DNA e da expressão de GLUT4 em tecido muscular esquelético de ratos adultos, proles de ratas com doença periodontal / Evaluation of the epigenetic mechanism by DNA methylation and GLUT4 expression in skeletal muscle tissue of adult rats, prole of rats with periodontal disease

Atualmente, está bem estabelecido que o ambiente fetal está ligado à saúde materna, e estímulos ou agressões anormais durante a vida intra-uterina podem resultar em mudanças na fisiologia e metabolismo da prole, aumentando o risco de doenças na vida adulta. Tal fenômeno é conhecido como programação fetal. Alterações na metilação do DNA e expressão gênica são consideradas mecanismos moleculares responsáveis por esta programação. Estudos anteriores demonstraram que a doença periodontal (DP) materna promove resistência insulínica, aumento nas concentrações plasmáticas de citocinas, redução do conteúdo de GLUT4 e do seu índice de translocação para membrana plasmática em sua prole adulta. E citocinas, como por exemplo, o TNF-α, têm sido relacionadas com a redução da expressão de GLUT4 por meio da ativação do fator de transcrição nuclear κappa B (NF-κB). Além disso, esta citocina pode estimular algumas serinas quinases, incluindo IκB quinase (IKK), c-Jun amino-terminal kinase (JNK) e quinases reguladas por sinais extracelulares (ERKs) que estão envolvidas na resistência insulínica. Tais achados evidenciam a necessidade de realizar mais estudos para verificar os mecanismos envolvidos nestas alterações. Portanto, os objetivos do presente estudo foram avaliar em ratos adultos, proles de ratas com DP: 1) massa corpórea ao longo de 75 dias de idade; 2) glicemia e insulinemia; 3) expressão do RNAm da proteína transportadora de glicose GLUT4 e do IRS1 em muscular esquelético gastrocnêmio (MG); 4) o grau de metilação do DNA na região promotora do gene do GLUT4 em MG; 5) fosforilação das proteínas JNK, IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 e NF-κBp50 e seus conteúdos totais em MG; 6) conteúdo total de TNF-α em MG. As ratas foram divididas em dois grupos: 1) com doença periodontal (DP), no qual esta doença foi induzida por meio de ligadura com fio de seda ao redor do 1º molar inferior; 2) ratas controle (CN). Após 7 dias da colocação da ligadura, as ratas de ambos os grupos foram colocadas para acasalamento, verificou-se diariamente, por esfregaço vaginal, o dia da copulação. As ratas prenhas foram separadas em caixas individuais. Quando os filhotes machos destas ratas completaram 75 dias, realizaram-se os experimentos: 1) glicemia e insulinemia; 2) expressão do RNAm do GLUT4 e do IRS1 em MG; 3) o grau de metilação do DNA na região promotora do gene do GLUT4 em MG; 4) fosforilação das proteínas JNK, IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 e NF-κBp50 e seus conteúdos totais em MG; 5) conteúdo total de TNF-α em MG. Os resultados demonstraram que a doença periodontal materna promove na sua prole adulta baixo peso ao nascimento (BPN), resistência insulínica, aumento do conteúdo total de TNF-α em MG, aumento do grau de fosforilação de IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 (grau de fosforilação e conteúdo) e NF-κBp50 em MG, diminuição na expressão gênica da proteína transportadora de glicose GLUT4 e aumento na expressão gênica do IRS1; porém não promove nessa prole alteração no grau de metilação do DNA na região promotora do gene do GLUT4, e no grau de fosforilação da proteína JNK em MG. Portanto, este estudo é de fundamental importância para o entendimento de alguns dos mecanismos envolvidos na relação entre a doença periodontal materna e resistência à insulina na prole adulta. Além disso, mostra que a saúde bucal materna ideal pode ajudar a prevenir doenças futuras na prole adulta(AU)

It is well established that the fetal environment is linked to maternal health, and abnormal stimuli or aggressions during intrauterine life can result in changes in the physiology and metabolism of offspring, increasing the risk of disease in adult life, this phenomenon is known as fetal programming. Changes in DNA methylation and gene expression are considered molecular mechanisms responsible for this programming. Previous studies have demonstrated that maternal periodontal disease (PD) promotes insulin resistance, increased plasma concentrations of cytokines, reduced GLUT4 content and its plasma membrane translocation index in its adult offspring. And cytokines, such as TNF-α, have been linked to reduced GLUT4 expression through the activation of nuclear transcription factor kappa B (NF-κB). In addition, this cytokine can stimulate some serine kinases including IκB kinase (IKK), c-Jun amino-terminal kinase (JNK) and extracellular signal­regulated kinases (ERKs) that are involved in insulin resistance. These findings evidenced the need for further studies to verify the mechanisms involved in these changes. Therefore, the objectives of the present study were to evaluate in adult rats, offspring of rats with PD: 1) birth weight and during the 75 days of age; 2) glycemia and insulinemia; 3) GLUT4 and IRS1 mRNA expression in skeletal muscle gastrocnemius (MG); 4) the degree of DNA methylation in the promoter region of the GLUT4 gene in MG; 5) phosphorylation of JNK, IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 and NF-κBp50 proteins and their total contents in MG; 6) TNF-α content in MG. Female Wistar rats were distributed into a control group and an experimental periodontal disease group, in which the disease is induced by ligation with silk thread around the 1st molar. Seven days after ligature placement, animals from both groups mated and daily vaginal smears were taken to verify the presence of sperm. Pregnant rats were kept in individual cages. The body weights of the offspring were measured once weekly from birth until 75 days of age. When male offspring of these rats completed 75 days, the experiments were performed: 1) glycemia and insulinemia; 2) GLUT4 and IRS1 mRNA expression in skeletal muscle gastrocnemius (MG); 3) the degree of DNA methylation in the promoter region of the GLUT4 gene in MG; 4) phosphorylation of JNK, IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 and NF-κBp50 proteins and their total contents in MG; 5) TNF-α content in MG. The results demonstrated that maternal periodontal disease promotes in its adult offspring low birth weight (LBW), insulin resistance, increased TNF-α content in MG, increased IKKα/ß, ERK 1/2, NF-κBp65 (phosphorylation status and content) and NF-κBp50 phosphorylation status in the MG, decrease in gene expression of GLUT4 and increase in IRS1 gene expression; but does not promote in this progeny change in the degree of DNA methylation in the promoter region of the GLUT4 gene, and JNK phosphorylation status in MG. Therefore, this study is of fundamental importance for the understanding of some of the mechanisms involved in the relationship between maternal periodontal disease and insulin resistance in adult offspring. In addition, it shows that ideal maternal oral health can help prevent future illnesses in adult offspring(AU)

Avaliação da fosforilação da AKT e do conteúdo da proteína transportadora de glicose GLUT4 em tecido muscular esquelético de ratos adultos, proles de ratas com doença periodontal / Evaluation of Akt phosphorylation and glucose transporter protein 4 (GLUT4) content in gastrocnemius skeletal muscle tissue of adult rats, offspring of rats with periodontal disease

A hipótese da programação fetal sugere que estímulos ou agressões durante a vida intrauterina podem resultar em alterações permanentes na fisiologia e metabolismo da descendência, aumentando o risco de doenças na vida adulta. Estudos demonstraram que tanto a doença periodontal (DP) como o aumento do tecido adiposo elevam a concentração plasmáticas de citocinas. E citocinas, como por exemplo, o TNF-, têm sido relacionadas com a redução da expressão de GLUT4 e resistência à insulina. Sabendo que o GLUT4 é importante para homeostase glicídica, o objetivo do presente estudo foi avaliar em ratos, proles de ratas com doença periodontal ao nascimento, a massa corpórea, e na vida adulta: 1) massa corpórea ao longo de 75 dias de idade; 2) o conteúdo da proteína transportadora de glicose GLUT4 e o seu índice de translocação em tecido muscular esquelético gastrocnêmio (MG); 3) o grau de fosforilação em serina da Akt em MG. As ratas foram distribuidas em dois grupos: a) com doença periodontal (DP), no qual esta doença foi induzida por meio de ligadura com fio de seda ao redor do 1º molar inferior de ambos os lados; b) ratas controle (CN). Após 7 dias da colocação da ligadura, as ratas de ambos os grupos foram colocadas para acasalamento, verificou-se diariamente, por esfregaço vaginal, o dia da copulação. As ratas prenhas foram separadas em caixas individuais. A massa corpórea da prole foi avaliada ao nascimento e durante os 75 dias de idade. Quando os filhotes machos destas ratas completaram 75 dias, realizou-se: 1) dosagem de glicemia e insulinemia; 2) avaliação da proteína transportadora de glicose GLUT4 e seu índice de translocação em MG; 3) avaliação do grau de fosforilação em serina da Akt em MG. Os resultados demonstraram que a doença periodontal materna promove em sua prole ao nascimento baixo peso e na vida adulta: 1) nenhuma alteração nas concentrações plasmáticas de glicose; 2) aumento nas concentrações plasmáticas de insulina; 3) redução na sensibilidade..

The fetal programming hypothesis suggests that intrauterine stimuli or aggression can induce metabolic and physiology changes in offspring, increasing the diseases risk in adulthood. Studies have demonstrated that periodontal disease (PD) and adipose tissue augmentation enhance the cytokines levels. Cytokines such as TNF-α have been associated with reduced GLUT4 expression and insulin resistance. Knowing that GLUT4 is important for glucose homeostasis, the aim of present study was to evaluate in adult rats, offspring of rats with periodontal disease: 1) birth weight and during the 75 days of age; 2) GLUT4 content and its translocation index in gastrocnemius skeletal muscle tissue (GM); 3) Akt serine phosphorylation status in MG. Female Wistar rats were distributed into a control group (CN, n = 4) and a experimental periodontal disease group (PD, n = 4), in which the disease is induced by ligation with silk thread around the 1st molar. Seven days after ligature placement, animals from both groups mated and daily vaginal smears were taken to verify the presence of sperm. Pregnant rats were kept in individual cages. The body weights of the offspring were measured once weekly from birth until 75 days of age. When male offspring of these rats completed 75 days, the experiments were performed: 1) assessment of plasma concentrations of glucose and insulin; 2) evaluation of the GLUT4 content and its translocation index in GM; 3) Akt serine phosphorylation status in GM. The results showed that maternal periodontal disease causes in their offspring low birth weight, and in adulthood: 1) no changes in glycemia; 2) increase in insulinemia; 3) insulin resistance; 4) decrease in GLUT4 content in the plasma membrane and its translocation index in GM; 5) reduction in the Akt serine phosphorylation status in GM. Therefore, we can conclude that maternal periodontal disease causes low birth weight and alterations in the final stage of insulin signaling in skeletal muscle of...

Avaliação da fosforilação da Akt e do conteúdo da proteína transportadora de glicose GLUT4 em músculo esquelético de ratos adultos com lesão periapical / Evaluation of phosphorylation of akt and content of glucose transporter protein glut4 in skeletal muscle of rats with periapical lesion

Atualmente, há certo consenso dentro da área odontológica relacionado ao fato de que inflamações crônicas nos dentes, podem eventualmente ocasionar desordens sistêmicas. A Lesão Periapical (LP) é caracterizada como uma inflamação oral e está associada ao aumento da quantidade de citocinas pró-inflamatórias, tais como, IL-6 e TNF-α, que possivelmente induzem resistência insulínica. A resistência à insulina pode ser definida como o estado no qual existe uma menor captação tecidual de glicose em resposta ao estímulo insulínico; no entanto, os mecanismos que causam resistência à insulina não são totalmente compreendidos. Estudos anteriores do nosso laboratório demonstraram que ratos adultos com LP apresentam alterações na etapa inicial da via do sinal insulínico e menor sensibilidade à insulina. Baseado nisto, mais estudos são necessários para verificar se estas alterações também estão presentes na continuidade da cascata insulínica e na expressão da proteína transportadora de glicose 4 (GLUT4). Os objetivos do presente estudo foram avaliar em ratos com LP: 1) glicemia e insulinemia (n=10); 2) sensibilidade à insulina por meio do índice de HOMA-IR (n=10); 3) grau de fosforilação em serina/treonina da Akt em tecido muscular esquelético gastrocnêmio (GM) (n=6); 4) conteúdo de GLUT4 e seu índice de translocação para membrana plasmática em GM (n=5). Para tanto, foram utilizados 32 ratos Wistar (2 meses de idade) distribuídos em dois grupos: a) ratos do grupo controle, sem a LP; b) ratos com LP induzida em molares superiores direito empregando-se broca em aço carbono dotada de esfera na extremidade com 0,1 mm. A partir dos resultados pôde-se observar que os ratos com LP apresentaram: 1) nenhuma diferença na glicemia e insulinemia; 2) redução na sensibilidade à insulina, avaliado pelo índice de HOMA-IR; 3) diminuição no grau de fosforilação em serina da Akt após estímulo insulínico em GM, mas nenhuma diferença no grau de fosforilação da Akt em treonina; 4) redução do...

Currently, there is some consensus in the dental area related to the fact that chronic inflammation in teeth may eventually lead to systemic disorders. Periapical lesion (PL) is characterized as an oral inflammation and it is associated to the increase of proinflammatory citokines, such as IL-6 and TNF-alpha, that can possibly induce insulin resistance. Insulin resistance can be defined as the state in which there is a glucose uptake decrease by tissue in response to insulin stimulation, however, the mechanisms that cause insulin resistance are not totally understood. Former studies from our laboratory demonstrated that adult rats with periapical lesion showed changes in the initial stage of insulin signaling and lower insulin sensitivity. Based on that, more studies are needed in order to verify whether these changes are also present in the continuity of the insulin signaling cascade and glucose transporter protein 4 (GLUT4) expression. The aims of this study were to evaluate in rats with PL: 1) plasma glucose and insulin levels (n=10); 2) insulin sensitivity by the HOMA-IR index (n=10); 3) serine/ threonine phosphorylation status of Akt in skeletal muscle gastrocnemius (GM) (n=6); 4) content of GLUT4 protein and its translocation index for plasma membrane in GM (n=5). Therefore, 32 Wistar rats (2 months old) were used and divided into two groups: a) control rats without PL b) rats with PL induced in right upper molars by using a carbon steel drill fitted with ball 0.1 mm. From the results it was observed that rats with PL showed: 1) no difference in blood glucose and insulin; 2) decrease in insulin sensitivity assessed by HOMA-IR index; 3) decrease in the serine phosphorylation status of Akt in GM after insulin stimulation, but no difference in the phosphorylation status of Akt in threonine; 4) decrease in the GLUT4 content in the plasma membrane, but no change in the microsome. From these results we conclude that the PL promoted insulin resistance...