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Scientists Identify Protein Linking Exercise to Brain Health

Newswise — BOSTON — A protein that is increased by endurance exercise has been isolated and given to non-exercising mice, in which it turned on genes that promote brain health and encourage the growth of new nerves involved in learning and memory, report scientists from Dana-Farber Cancer Institute and Harvard Medical School.


The findings, reported in the journal Cell Metabolism, help explain the well-known capacity of endurance exercise to improve cognitive function, particularly in older people. If the protein can be made in a stable form and developed into a drug, it might lead to improved therapies for cognitive decline in older people and slow the toll of neurodegenerative diseases such Alzheimer’s and Parkinson’s, according to the investigators.


“What is exciting is that a natural substance can be given in the bloodstream that can mimic some of the effects of endurance exercise on the brain,” said Bruce Spiegelman, PhD, of Dana-Farber and HMS. He is co-senior author of the publication with Michael E. Greenberg, PhD, chair of neurobiology at HMS.


The Spiegelman group previously reported that the protein, called FNDC5, is produced by muscular exertion and is released into the bloodstream as a variant called irisin. In the new research, endurance exercise – mice voluntarily running on a wheel for 30 days – increased the activity of a metabolic regulatory molecule, PGC-1a, in muscles, which spurred a rise in FNDC5 protein. The increase of FNDC5 in turn boosted the expression of a brain-health protein, BDNF (brain-derived neurotrophic protein) in the dentate gyrus of the hippocampus, a part of the brain involved in learning and memory.


It has been found that exercise stimulates BDNF in the hippocampus, one of only two areas of the adult brain that can generate new nerve cells. BDNF promotes development of new nerves and synapses – connections between nerves that allow learning and memory to be stored – and helps preserve the survival of brain cells.


How exercise raises BDNF activity in the brain wasn’t known; the new findings linking exercise, PGC-1a, FNDC5 and BDNF provide a molecular pathway for the effect, although Spiegelman and his colleagues suggest there are probably others.


Having shown that FNDC5 is a molecular link between exercise and increased BDNF in the brain, the scientists asked whether artificially increasing FNDC5 in the absence of exercise would have the same effect. They used a harmless virus to deliver the protein to mice through the bloodstream, in hopes the FNDC5 could reach the brain and raise BDNF activity. Seven days later, they examined the mouse brains and observed a significant increase in BDNF in the hippocampus.


“Perhaps the most exciting result overall is that peripheral deliver of FNDC5 with adenoviral vectors is sufficient to induce central expression of Bdnf and other genes with potential neuroprotective functions or those involved in learning and memory,” the authors said. Spiegelman cautioned that further research is needed to determine whether giving FNDC5 actually improves cognitive function in the animals. The scientists also aren’t sure whether the protein that got into the brain is FNDC5 itself, or irisin, or perhaps another variant of the protein.


Spiegelman said that development of irisin as a drug will require creating a more stable form of the protein.


The first author of the report is Christiane Wrann, PhD, in the Spiegelman lab.
The research was supported by the JPB Foundation and National Institutes of Health (DK31405 and DK90861).


About Dana-Farber Cancer Institute
Dana-Farber Cancer Institute (www.dana-farber.org) is a principal teaching affiliate of the Harvard Medical School and is among the leading cancer research and care centers in the United States. It is a founding member of the Dana-Farber/Harvard Cancer Center, designated a comprehensive cancer center by the National Cancer Institute. It provides adult cancer care with Brigham and Women’s Hospital as Dana-Farber/Brigham and Women’s Cancer Center and it provides pediatric care with Boston Children’s Hospital as Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center. Dana-Farber is the top ranked cancer center in New England, according to U.S. News & World Report, and one of the largest recipients among independent hospitals of National Cancer Institute and National Institutes of Health grant funding. Follow Dana-Farber on Facebook and on Twitter.



 



BIDMC's Young Scientists are Honored

Los BOSTON tres jóvenes científicos del Beth Israel Deaconess Medical Center (BIDMC) cuya investigación es arrojar luz sobre las vías cerebrales subyacentes a la obesidad, el papel de los vasos sanguíneos en un peligroso trastorno de embarazo y maneras de monitorear la sedación para asegurar mejores experiencias pacientes, son los destinatarios del BIDMC inaugural Dvorak joven investigador premios.


Creado a través de un regalo de los donantes BIDMC Sheldon Simon y Ruth Moorman destacar el importante papel de la investigación básica y clínica para asegurar la vitalidad y el éxito futuro de los hospitales de enseñanza académicos, los premios ayudará a avanzar en los programas de investigación de los investigadores BIDMC Mark Andermann, PhD, Zoltan Arany, MD, PhD y Daniel Leffler, MD, MS.


Los premios son nombrados en honor del BIDMC científico e investigador pionero del cáncer Harold F. Dvorak, MD y fueron presentados en la reunión anual del BIDMC en el Hotel Four Seasons.


"BIDMC tiene una larga historia de nutrir y apoyar nuevas ideas científicas", dice BIDMC Chief Scientific Officer Vikas Sukhatme, MD, PhD. "con la creación de los premios de investigador joven Dvorak, no sólo mantenemos nuestro compromiso de fomentar y cultivar el trabajo de nuestros científicos jóvenes prometedores, estamos reconociendo la contribución permanente de Hal Dvorak, cuyo trabajo pionero en el campo de la angiogénesis allanó el camino para un enfoque totalmente nuevo a la terapéutica del cáncer".


Fue hace más de 30 años que Dvorak, ex jefe de patología del BIDMC, primero descrito tumores como "heridas que no cicatrizan," una observación que formó la base para el campo de la angiogénesis y condujo a un nuevo medio de tratar el cáncer y otras enfermedades por suministros de sangre en los tumores de hambre.


"La misma curiosidad y la creatividad que llevó Hal para identificar VEGF [factor de crecimiento endotelial vascular] como el combustible detrás de crecimiento tumoral es evidente en los tres científicos que ahora estamos honrando con el joven investigador premios Dvorak," agrega Sukhatme. "DRS. Andermann, Arany y Leffler hacen preguntas del mismo modo provocativo y excitante nueva investigación en su búsqueda de respuestas a algunas de hoy necesita más atención médica urgente.


El Dr. Mark Andermann, un investigador del BIDMC División de Endocrinología, Diabetes y metabolismo, es el destinatario del premio Dvorak joven investigador en ciencias básicas. Su trabajo tiene como objetivo entender cómo hambre y señales externas de alimentos causan cambios en el cerebro y sus posibles consecuencias para la obesidad, atracones y otros trastornos de la alimentación. Utilizando nuevas tecnologías de imagen para evaluar exactamente cómo hambre influye en procesamiento sensorial, trabajo de Andermann proporciona respuestas a preguntas fundamentales para ayudar a guiar el desarrollo de tratamientos para la obesidad.


Como destinatario del premio al investigador joven Dvorak en la investigación traslacional, cardiólogo Dr. Zoltan Arany está centrando su investigación en la comprensión de los mecanismos de regulación del metabolismo en los sistemas esqueléticos y cardiovasculares. Sus estudios están ayudando a explicar el impacto del estrés fisiológicos como el embarazo y ejercicio de la función y el metabolismo cardiaco. Su trabajo más reciente ha llevado al descubrimiento de que la enfermedad cardíaca la miocardiopatía periparto, que ataca a las mujeres en su tercer trimestre del embarazo y puede llevar a la muerte y la discapacidad grave, es un trastorno de los vasos sanguíneos. Arany está ahora investigando los roles que genética o infecciones podrían jugar en el inicio de esta grave enfermedad.


El Dr. Daniel Leffler es el destinatario del premio Dvorak joven investigador en investigación en servicios sanitarios. Trabajo de Leffler se centra atención en la calidad y seguridad de los procedimientos invasivos, incluyendo la necesidad de supervisar la calidad de sedación moderada desde las perspectivas de los pacientes y sus proveedores. Este tipo de investigación en servicios de salud mejora la calidad, seguridad y valor de la atención sanitaria, con el objetivo de garantizar la mejor experiencia posible para los pacientes. Como el Director de investigación clínica en el centro del BIDMC celíaca, Leffler también atiende a pacientes y realiza investigación en enfermedad celiaca.


"Estamos agradecidos a Sheldon Simon y Ruth Moorman por su apoyo a la labor de estos tres jóvenes científicos y, por extensión, apoyo a los avances de investigación que permitan la mejor atención al paciente," dice Sukhatme.


Beth Israel Deaconess Medical Center es una atención al paciente, filial de docencia e investigación de Harvard Medical School y actualmente ocupa el tercer lugar en el National Institutes of Health financiamiento entre hospitales independientes en todo el país.


BIDMC cuenta con una red de socios de la comunidad que incluye Beth Israel Deaconess Hospital-Milton, Beth Israel Deaconess Hospital-Needham, Anna Jaques Hospital, Cambridge Health Alliance, Lawrence General Hospital, cuidado de la salud firma, Commonwealth hemato-oncología, Beth Israel Deaconess HealthCare, Alianza de atención comunitaria y la salud de atrio. BIDMC también clínicamente está afiliada con el Joslin Diabetes Center y hebreo Senior vida y es un socio de investigación del centro de cáncer Dana-Farber/Harvard. BIDMC es el hospital oficial de los Boston Red Sox.