Epigenomic regulation of metabolism in muscle by circadian clock and environment

项目摘要    目前的研究是研究表观基因组修饰剂组蛋白脱乙酰酶 3 (HDAC3) 如何调节  骨骼肌中的碳水化合物代谢和胰岛素敏感性对内部昼夜节律的反应  时钟或外部饮食因素。 我开发了一种新型小鼠模型，其中 HDAC3 专门耗尽  骨骼肌，并发现小鼠的代谢昼夜节律基因表达受到破坏，并且  高脂肪饮食 (HFD) 引起的葡萄糖不耐受加剧。 在指导阶段，我将获得  全基因组表观基因组方法的新专业知识在我导师的实验室中得到了很好的确立。 我  还将获得肌肉生理学、代谢流分析和代谢组学方法方面的额外知识  通过与宾夕法尼亚大学其他实验室和核心设施的合作。    我建议在独立阶段继续进行的研究是研究 HDAC3 在运动耐力方面的作用，  燃料选择和效率，以及骨骼肌中的脂质和氨基酸代谢。 我们发现  没有肌肉 HDAC3 的小鼠出人意料地提高了与更换燃料相关的运动耐力  从碳水化合物到脂质的偏好。  我将描述线粒体功能并追踪代谢  通过脂质、酮体和氨基酸分解代谢的通量，包括回补嘌呤核苷酸  周期，在运动动物以及分离的原代肌细胞中，其中击倒实验将测试  特定 HDAC3 靶基因对观察到的燃料选择和提高燃料效率的要求。      独立后我未来的职业目标是破译作为毒物兴奋剂基础的表观基因组机制  骨骼肌对体育锻炼的反应。 锻炼对健康的许多方面都有好处，尤其是在  肥胖和糖尿病的背景。 我的一般假设是表观基因组机制是运动的基础 诱导有益的代谢重塑。  我将全面描述运动引起的变化  使用全基因组方法和代谢组学方法研究骨骼肌转录组和表观基因组。  据我所知，这是有史以来第一次尝试分析运动引起的表观基因组变化  全基因组规模。 这种公正的方法将产生全面的数据集，从中进行数据挖掘和  主题分析将产生关于对运动做出反应的新颖转录网络的新假设。  然后将使用生物化学方法和代谢通量分析来验证这些假设，然后  遗传动物模型和生理学研究的发展。  这些方法共同将产生  由初步数据支持的可检验假设，这对于未来成功竞争至关重要  融资机会。

Project Summary    The  current  research  is  to  study  how  epigenomic  modifier  histone  deacetylase  3  (HDAC3)  regulates  carbohydrates metabolism and insulin sensitivity in skeletal muscle in response to either the internal circadian  clock or the external dietary factor. I have developed a novel mouse model with HDAC3 specifically depleted in  skeletal  muscle,  and  have  found  that  the  mice  display  disrupted  metabolic  circadian  gene  expression  and  exacerbated glucose intolerance that is induced by high fat diet (HFD). During the mentored phase, I will gain  new expertise in genome­wide epigenomic approaches that are well established in my mentor’s laboratory. I  will also gain additional knowledge in muscle physiology, metabolic flux analysis, and metabolomics methods  through collaboration with other laboratories and core facilities at University of Pennsylvania.    The research that I propose to continue in the independent phase is to study HDAC3 in exercise endurance,  fuel selection and efficiency, as well as lipid and amino acid metabolism in skeletal muscle. We have found that  mice without muscular HDAC3 have surprisingly improved exercise endurance associated with a switch in fuel  preference  from  carbohydrates  towards  lipid.  I  will  characterize  mitochondrial  function  and  trace  metabolic  fluxes  through  lipid,  ketone  bodies,  and  amino  acids  catabolism,  including  the  anaplerotic  purine  nucleotide  cycle,  in  exercising  animals  as  well  as  in  isolated  primary  myocytes,  where  knockdown  experiments  will  test  the requirement of specific HDAC3 target genes for the observed fuel selection and enhanced fuel efficiency.      My  future  career  goal  after  independence  is  to  decipher  the  epigenomic  mechanism  that  underlies  hormetic  response to physical exercise in skeletal muscle. Exercise is beneficial to many aspects of health, especially in  the context of obesity and diabetes. My general hypothesis is that epigenomic mechanisms underlie exercise­ induced  beneficial  metabolic  remodeling.  I  will  comprehensively  characterize  exercise­induced  changes  in  skeletal  muscle  transcriptome  and  epigenome  using  genome­wide  methods  and  metabolomics  approaches.  This  is  the  first  endeavor  ever,  as  far  as  I  know,  to  analyze  exercise­induced  epigenomic  changes  in  a  genome­wide scale. This unbiased method will produce comprehensive datasets, from which data mining and  motif  analysis  will  generate  new  hypotheses  regarding  novel  transcription  networks  that  respond  to  exercise.  Biochemistry methods and metabolic flux analysis will then be used to validate these hypotheses, followed by  development  of  genetic  animal  models  and  physiology  studies.  Together,  these  approaches  will  generate  testable  hypothesis  backed  up  by  preliminary  data,  which  is  essential  for  successful  competition  for  future  funding opportunities.