Expression of lactate transporters MCT1, MCT2, MCT4 and the ancillary protein CD147 in horse muscle and red blood cells

Monocarboxylate transporters (MCTs) transport lactate and protons across cell membranes. During intense exercise, lactate and protons accumulate in the exercising muscle and are transported to the plasma. In the horse, MCTs are responsible for the majority of lactate and proton removal from exercising muscle, and are therefore also the main mechanism to hinder the decline in pH in muscle cells. Two isoforms, MCT1 and MCT4, which need an ancillary protein CD147, are expressed in equine muscle. In the horse, as in other species, MCT1 is predominantly expressed in oxidative fibres, where its likely role is to transport lactate into the fibre to be used as a fuel at rest and during light work, and to remove lactate during intensive exercise when anaerobic energy production is needed. The expression of CD147 follows the fibre type distribution of MCT1. These proteins were detected in both the cytoplasm and sarcolemma of muscle cells in the horse breeds studied: Standardbred and Coldblood trotters. In humans, training increases the expression of both MCT1 and MCT4. In this study, the proportion of oxidative fibres in the muscle of Norwegian-Swedish Coldblood trotters increased with training. Simultaneously, the expression of MCT1 and CD147, measured immunohistochemically, seemed to increase more in the cytoplasm of oxidative fibres than in the fast fibre type IIB. Horse MCT4 antibody failed to work in immunohistochemistry. In the future, a quantitative method should be introduced to examine the effect of training on muscle MCT expression in the horse. Lactate can be taken up from plasma by red blood cells (RBCs). In horses, two isoforms, MCT1 and MCT2, and the ancillary protein CD147 are expressed in RBC membranes. The horse is the only species studied in which RBCs have been found to express MCT2, and the physiological role of this protein in RBCs is unknown. The majority of horses express all three proteins, but 10-20% of horses express little or no MCT1 or CD147. This leads to large interindividual variation in the capacity to transport lactate into RBCs. Here, the expression level of MCT1 and CD147 was bimodally distributed in three studied horse breeds: Finnhorse, Standardbred and Thoroughbred. The level of MCT2 expression was distributed unimodally. The expression level of lactate transporters could not be linked to performance markers in Thoroughbred racehorses. In the future, better performance indexes should be developed to better enable the assessment of whether the level of MCT expression affects athletic performance. In human subjects, several mutations in MCT1 have been shown to cause decreased lactate transport activity in muscle and signs of myopathy. In the horse, two amino acid sequence variations, one of which was novel, were detected in MCT1 (V432I and K457Q). The mutations found in horses were in different areas compared to mutations found in humans. One mutation (M125V) was detected in CD147. The mutations found could not be linked with exercise-induced myopathy. MCT4 cDNA was sequenced for the first time in the horse, but no mutations could be detected in this protein.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin maitohapon kuljetusta elimistössä eri hevosroduilla. Täysverisellä laukkahevosella punasolujen hyvä maitohaponkuljetuskyky oli muita rotuja yleisempää, mutta yllättäen myös suomenhevosella ominaisuus oli lähes yhtä yleinen. Suuresta koostaan huolimatta hevonen on poikkeuksellisen hyvä urheilija. Kilpahevosella jopa yli puolet ruumiinpainosta koostuu lihaksista. Keuhkojen suuri hapenottokyky, pernan sisältämä punasoluvarasto ja tehokas hapenkuljetus lihaksille johtavat hevosella suureen aerobiseen kapasiteettiin. Kovatehoisessa liikuntasuorituksessa aerobinen energiantuotanto ei kuitenkaan riitä tyydyttämään lihasten energiatarvetta ja aineenvaihdunnan painopiste siirtyy anaerobiselle puolelle. Tämän seurauksena lihaksiin ja vereen kertyy maitohappoa. Veren maitohappopitoisuus on dynaaminen tila ja kuvastaa tasapainoa lihasten maitohapontuotannon, vereen kuljetuksen sekä muiden kudosten maitohapon sisäänoton välillä. Maitohappo tarvitsee kuljettajan päästäkseen solukalvon yli lihassolusta vereen. Monokarboksylaattikuljettajat (MCT) ovat lihassolukalvolla esiintyviä proteiineja, jotka kuljettavat maitohappoa. Kovatehoisen liikuntasuorituksen aikana, kun maitohapon tuotanto on voimakasta, MCT- proteiinit ovat päävastuussa maitohapon kuljetuksesta pois lihassolusta. Samalla MCT:n toiminta poistaa solusta protoneja ja hidastaa näin lihassolun happamoitumista. Hevosen lihaksissa esiintyvät proteiinit MCT1, MCT4 sekä niiden apuproteiini CD147. Tässä tutkimuksessa sekä kylmä- että lämminverisillä ravihevosilla MCT1:den ja CD147:n todettiin esiintyvän erityisesti tyypin I ja IIA lihassyissä, joiden aineenvaihdunta on pääosin aerobista. MCT1:den todennäköinen rooli on kuljettaa maitohappoa polttoaineena käytettäväksi näihin lihassoluihin levossa ja kevyen liikuntasuorituksen aikana ja poistaa maitohappoa soluista kovatehoisessa rasituksessa. Ihmisellä harjoittelu lisää MCT1:den ja MCT4:n ilmenemistä lihassolukalvolla. Tässä tutkimuksessa MCT1:den esiintyminen lisääntyi hevosilla enemmän oksidatiivisissa tyypin I ja IIA lihasoluissa verrattuna vähemmän oksidatiivisiin IIB soluihin. Ihmisillä MCT- proteiinien mutaatioiden on todettu aiheuttavan heikentynyttä rasituksensietokykyä ja lihasoireita. Lihasongelmat ovat hevosilla yleisiä ja jopa 7%:lla kilpahevosista on todettu olevan lihasperäinen suorituskykyongelma. Tässä tutkimuksessa tutkittiin MCT1, MCT4 ja CD147 geenien proteiinia koodaavien alueiden sekvenssejä terveillä hevosilla ja lihasvaivoista kärsivillä hevosilla. Mutaatioita löydettiin, mutta niitä ei kuitenkaan pystytty yhdistämään lihasongelmiin. Maitohappoa voidaan kuljettaa plasmasta myös punasolujen sisään, mikä mahdollistaa maitohapon tuotannon jatkumisen pidempään lihaksissa ennen lihaksen väsymistä. Hevosella kilpailun jälkeen jopa 50% maitohaposta voidaankin löytää tilapäisvarastosta punasolujen sisältä. Hevosella kaksi proteiinia MCT1 ja MCT2 sekä apuproteiini CD147 esiintyvät punasolukalvolla. Hevonen on ainoa laji, jonka punasoluista on löydetty MCT2. Sen fysiologinen merkitys punasoluissa on tuntematon. Suurin osa hevosista ilmentää punasoluissa molempia MCT- proteiineja, mutta 10-20% hevosista vain MCT2:ta. Tämä johtaa suureen vaihteluun maitohapon kuljetuskyvyssä punasoluihin ja hevoset voidaan tämän ominaisuuden perusteella jakaa kahteen ryhmään jo pikkuvarsoina. Tässä tutkimuksessa nämä kaksi ryhmää todettiin kolmessa tutkitussa hevosrodussa: suomenhevosessa, lämminverisessä ravihevosessa ja täysverisessä laukkahevosessa. Eniten korkeaa maitohaponkuljetuskykyä esiintyi täysverihevosilla, mutta yllättäen myös suomenhevosella ominaisuus oli lähes yhtä yleinen. Maitohappokuljettajien yhteyttä täysveristen laukkahevosten suorituskykyyn ei tässä tutkimuksessa pystytty osoittamaan.