塩化コバルトによる低酸素症による骨格筋の好気性呼吸とミトコンドリア生合成の増強

高高度/低酸素トレーニングは、アスリートの身体的パフォーマンスを改善することが知られています。低酸素症は、低酸素症誘導因子-1（HIF-1）とその下流遺伝子を誘導し、筋肉の低酸素適応を促進して身体性のパフォーマンスを向上させます。低酸素模倣物である塩化物（cocl₂）は、HIF-1を安定化し、そうでなければ正常酸素状態で分解されます。げっ歯類モデルを使用した物理的性能、グルコース代謝、およびミトコンドリア生合成に対するCocl₂補給による低酸素前処理の効果を研究しました。結果は、コントロール動物と比較して、コバルトが補充されたラット（2回）なし（2回）またはトレーニング（3.3倍）で補足されたラットの身体性能の有意な増加を示しました。ラットのcocl₂補給は、TCAサイクル、解糖、シトクロムCオキシダーゼ（COX）の酵素の生物学的活性を増強しました。また、好気性呼吸によるグルコース代謝の増加を示す筋肉におけるグルコース輸送体-1（GLUT-1）の発現を増加させました。また、電子顕微鏡でさらに確認されたミトコンドリア生合成マーカーのmRNA発現の増加によって観察された骨格筋のミトコンドリア生合成の増加もありました。さらに、一酸化窒素産生は、コバルトを補充したラットの骨格筋で増加しました。これは、ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体ガンマコアクチベーター-1α（PGC-1α）誘導とミトコンドリア生合成の主な理由と思われます。したがって、結論として、ラットでのcocl₂補給による低酸素前処理は、骨格筋の好気性呼吸によるミトコンドリアの生合成、グルコース取り込み、代謝を増加させ、身体性パフォーマンスの向上につながると述べています。この研究の重要性は、低酸素の適応の分子メカニズムと、低酸素前処理による低酸素のような極端な状態での作業パフォーマンスの改善の分子メカニズムを理解することにあります。

High altitude/hypoxia training is known to improve physical performance in athletes. Hypoxia induces hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) and its downstream genes that facilitate hypoxia adaptation in muscle to increase physical performance. Cobalt chloride (CoCl₂), a hypoxia mimetic, stabilizes HIF-1, which otherwise is degraded in normoxic conditions. We studied the effects of hypoxia preconditioning by CoCl₂ supplementation on physical performance, glucose metabolism, and mitochondrial biogenesis using rodent model. The results showed significant increase in physical performance in cobalt supplemented rats without (two times) or with training (3.3 times) as compared to control animals. CoCl₂ supplementation in rats augmented the biological activities of enzymes of TCA cycle, glycolysis and cytochrome c oxidase (COX); and increased the expression of glucose transporter-1 (Glut-1) in muscle showing increased glucose metabolism by aerobic respiration. There was also an increase in mitochondrial biogenesis in skeletal muscle observed by increased mRNA expressions of mitochondrial biogenesis markers which was further confirmed by electron microscopy. Moreover, nitric oxide production increased in skeletal muscle in cobalt supplemented rats, which seems to be the major reason for peroxisome proliferator activated receptor-gamma coactivator-1α (PGC-1α) induction and mitochondrial biogenesis. Thus, in conclusion, we state that hypoxia preconditioning by CoCl₂ supplementation in rats increases mitochondrial biogenesis, glucose uptake and metabolism by aerobic respiration in skeletal muscle, which leads to increased physical performance. The significance of this study lies in understanding the molecular mechanism of hypoxia adaptation and improvement of work performance in normal as well as extreme conditions like hypoxia via hypoxia preconditioning.