The crosstalk between the gut microbiota and mitochondria during exercise

Abstract

Many physiological changes occur in response to endurance exercise in order to adapt to the increasing energy needs, mitochondria biogenesis, increased reactive oxygen species (ROS) production and acute inflammatory responses. Mitochondria are organelles within each cell that are crucial for ATP production and are also a major producer of ROS and reactive nitrogen species during intense exercise. Recent evidence shows there is a bidirectional interaction between mitochondria and microbiota. The gut microbiota have been shown to regulate key transcriptional co-activators, transcription factors and enzymes involved in mitochondrial biogenesis such as PGC-1a, SIRT1, and AMPK genes. Furthermore, the gut microbiota and its metabolites, such as short chain fatty acids and secondary bile acids, also contribute to host energy production, ROS modulation and inflammation in the gut by attenuating TNFa- mediated immune responses and inflammasomes such as NLRP3. On the other hand, mitochondria, particularly mitochondrial ROS production, have a crucial role in regulating the gut microbiota via modulating intestinal barrier function and mucosal immune responses. Recently, it has also been shown that genetic variants within the mitochondrial genome, could affect mitochondrial function and therefore the intestinal microbiota composition and activity. Diet is also known to dramatically modulate the composition of the gut microbiota. Therefore, studies targeting the gut microbiota can be useful for managing mitochondrial related ROS production, pro-inflammatory signals and metabolic limits in endurance athletes.

Muchos cambios fisiológicos ocurren en respuesta al ejercicio de resistencia para adaptarse a las crecientes necesidades energéticas, la biogénesis de las mitocondrias, el aumento de la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y las respuestas inflamatorias agudas. Las mitocondrias son orgánulos dentro de cada célula que son cruciales para la producción de ATP y también son un importante productor de ROS y especies reactivas de nitrógeno durante el ejercicio intenso. La evidencia reciente muestra que hay una interacción bidireccional entre las mitocondrias y la microbiota. Se ha demostrado que la microbiota intestinal regula los coactivadores transcripcionales clave, los factores de transcripción y las enzimas implicadas en la biogénesis mitocondrial, como los genes PGC-1a, SIRT1 y AMPK. Además, la microbiota intestinal y sus metabolitos, como los ácidos grasos de cadena corta y los ácidos biliares secundarios, también contribuyen a la producción de energía del huésped, la modulación de ROS y la inflamación en el intestino al atenuar las respuestas inmunes mediadas por TNFa e inflamasomas como NLRP3. Por otro lado, las mitocondrias, particularmente la producción de ROS mitocondrial, tienen un papel crucial en la regulación de la microbiota intestinal mediante la modulación de la función de barrera intestinal y la respuesta inmune de la mucosa. Recientemente, también se ha demostrado que las variantes genéticas dentro del genoma mitocondrial podrían afectar la función mitocondrial y, por lo tanto, la composición y actividad de la microbiota intestinal. También se sabe que la dieta modula drásticamente la composición de la microbiota intestinal. Por lo tanto, los estudios dirigidos a la microbiota intestinal pueden ser útiles para controlar la producción de ROS relacionada con la mitocondria, las señales proinflamatorias y los límites metabólicos en los atletas de resistencia.

Molts canvis fisiològics tenen lloc en resposta a l'exercici de resistència per adaptar-se a les creixents necessitats energètiques, la biogènesi de les mitocòndries, l'augment de la producció d'espècies reactives d'oxigen (ROS) i les respostes inflamatòries agudes. Els mitocondris són orgànuls dins de cada cèl·lula que són crucials per a la producció d'ATP i també són un important productor de ROS i espècies reactives de nitrogen durant l'exercici intens. L'evidència recent mostra que hi ha una interacció bidireccional entre les mitocòndries i la microbiota. S'ha demostrat que la microbiota intestinal regula els coactivadors transcripcionals clau, els factors de transcripció i els enzims implicats en la biogènesi mitocondrial, com els gens PGC-1a, SIRT1 i AMPK. A més, la microbiota intestinal i els seus metabòlits, com els àcids grassos de cadena curta i els àcids biliars secundaris, també contribueixen a la producció d'energia de l'hoste, la modulació de ROS i la inflamació a l'intestí a atenuar les respostes immunes intervingudes per TNFa i inflamasomas com NLRP3. D'altra banda, les mitocòndries, particularment la producció de ROS mitocondrial, tenen un paper crucial en la regulació de la microbiota intestinal mitjançant la modulació de la funció de barrera intestinal i la resposta immune de la mucosa. Recentment, també s'ha demostrat que les variants genètiques dins el genoma mitocondrial podrien afectar la funció mitocondrial i, per tant, la composició i activitat de la microbiota intestinal. També se sap que la dieta modula dràsticament la composició de la microbiota intestinal. Per tant, els estudis dirigits a la microbiota intestinal poden ser útils per controlar la producció de ROS relacionada amb la mitocòndria, els senyals proinflamatòries i els límits metabòlics en els atletes de resistència.