På måndag den 14 juni 2021 kl 09:00 lägger Daniel Hammarström fram sin avhandling i idrottsvetenskap vid Gymnastik- och idrottshögskolan GIH, Determinants of intra-individual variation in adaptability to resistance training of different volumes. Se disputationen live (sändningen startar några minuter innan).
Avhandlingsarbetet har bedrivits med stöd av huvudhandledaren professor Stian Ellefsen, Inland Norway University of Applied Sciences, och bihandledarna professor Bent R Rønnestad, Inland Norway University of Applied Sciences, och professor emerita Eva Blomstrand vid GIH.
Docent Juha Hulmi, University of Jyväskylä, är fakultetsopponent, och betygsnämnden utgörs av professor Anna Krook, Karolinska Institutet; professor Adam Sharples, Norweigan School of Sport Sciences; och professor Abram Katz, GIH.
Avhandlingen är baserad på nedanstående artiklar:
-
- Hammarström D, Øfsteng S, Koll L, Hanestadhaugen M, Hollan I, Apró W, Blomstrand E, Rønnestad B, Ellefsen S Benefits of higher resistance-training volume are related to ribosome biogenesis. The Journal of physiology. 2020 Feb;598(3):543- 565. doi: 10.1113/JP278455.
- Khan Y, Hammarström D, Rønnestad B, Ellefsen S, Ahmad R Increased biological relevance of transcriptome analyses in human skeletal muscle using a model-specific pipeline. BMC Bioinformatics. 2020 Nov 30;21(1):548. doi: 10.1186/s12859-020- 03866-y
- Hammarström D, Øfsteng S, Jacobsen N, Flobergseter K, Rønnestad B, Ellefsen S Ribosome accumulation during early phase resistance training. Manuscript
Avhandlingens kappa kan hämtas ned här.
Abstract
Systematic resistance training positively affects skeletal muscle mass and functional characteristics of the neuro-muscular system. By varying exercise variables such as training volume, the training can be individualized. On what indications such variations should be performed are not clear since individuals vary with regards to volume-dependence in training outcomes such as muscle mass and strength.
The primary aim of this thesis was to relate the adaptive response of low and moderate volume resistance training to individual characteristics in untrained individuals. Secondary aims were to characterize exercise-volume dependence in muscle characteristics and determine a time course profile of ribosomal biogenesis-markers in response to resistance training.
In Study I (Paper I), young, healthy, and previously untrained male and female participants (n = 34) trained for 12 weeks (2-3 sessions x week-1) with low (a single set per exercise) or moderate volume (three sets per exercise) allocated to either leg in a contralateral fashion. Muscle cross-sectional area and strength measurements were made before and after the intervention. Biopsy sampling from m. vastus lateralis was performed before and after the intervention and before and one hour after the fifth session.
Training-induced muscle hypertrophy and strength gains were shown to be volume dependentas both variables increased to a greater extent in response to moderate-volume training. These effects coincided with greater activation of mTORC1 signaling, higher abundance of markers related to ribosomal biogenesis, and greater reduction in fiber-type IIX proportions. Thirteen and sixteen participants, respectively, were identified as having additional benefits of moderate- over low- volume training on muscle hypertrophy and strength. The additional benefit of moderate-volume training for muscle hypertrophy and strength gains was associated with greater accumulation of total RNA at Week 2 in the moderate-volume leg, indicating that the ability to differentiate ribosomal biogenesis in the initial phase predicted long-term benefits of moderate over low training volume.
Based on RNA quality, a subset (n = 25) of participants originally included in Study I was used in a follow-up analysis of transcriptome characteristics (Paper II). Accumulation of RNA due to increased ribosomal biogenesis in response to resistance training led to different amounts of tissue being used in analyses as a fixed amount of total RNA was used in sample preparation. When this was accounted for through normalization strategies, dose-dependent increased expression of genes primarily related to the extracellular matrix was identified after two weeks of training in rested- state muscle. In contrast, after the intervention, no dose-dependencies were observed. When not accounting for the amount of tissue used, results indicated counter intuitive increased expression of genes in the low-volume condition.
Given the apparent importance of ribosomal biogenesis identified in Study I, Study II (Paper III) aimed to describe a time course of accumulation of markers of ribosomal abundance in response to resistance training. Furthermore, it was hypothesized that fluctuations in training volume and training cessation would be reflected in markers of ribosomal biogenesis.
Eighteen participants were allocated to either a training group (n = 11) or a control group (n = 7). The training group performed unilateral knee extension with constant (6 sets) or variable volume (6, 3, and 9 sets in sessions 1-4, 5-8, and 9-12, respectively). Muscle biopsies were sampled from m vastus lateralis in the training group before and 48 hours after the first session and 48 hours after sessions 4, 5, 8, 9, 12, and after eight days of de-training. Biopsies were also sampled in the control group at baseline, after 48 hours, and after 2-4 weeks.
Twelve resistance-training sessions led to muscle growth and gains in strength in the training group compared to the control group. Training also led to increases in total RNA, ribosomal RNA, increased protein levels of upstream binding factor (UBF), and ribosomal protein S6 (rpS6). Total RNA increased in a curve-linear fashion, most rapidly in response to the first four sessions, followed by a plateau and peak values of #50% above baseline values after eight sessions. Variations in training volume did not affect the observed increase in either total RNA or any ribosomal RNA. UBF protein levels were related to total RNA levels after controlling for time. Increases in total RNA levels, in turn, predicted training-induced muscle hypertrophy. After eight days of no training, total RNA and specific ribosomal RNA species decreased without muscle mass changes, indicating reduced concentrations and biosynthesis of ribosomes in response to de-training. These results underline a determinant role for ribosomal biogenesis in resistance training-induced muscle hypertrophy and that ribosomal biogenesis is sensitive to training cessation.
Overall, this thesis demonstrates a determining role of ribosomal biogenesis in adaptations to resistance training. In addition, it broadly characterizes the effect of training volume on multiple aspects of skeletal muscle biology.
Svensk sammanfattning
Regelbunden styrketräning leder till en större muskelmassa och förbättrade funktionella egenskaper hos det neuromuskulära systemet. Dessa förändringar leder till generella hälsofördelar oavsett ålder och tidigare aktivitetsnivå. Genom att variera intensitet, val av träningsövningar och volym kan styrketräning skräddarsys för den enskilde individen. Det är dock oklart vilka indikationer som bör bestämma hur träningsbelastningar utformas. Styrketräningens volym, uttryckt som antal serier per muskelgrupp och träningspass eller träningsvecka har identifierats som en viktig faktor för träningsresultaten. Det är dock sannolikt att individer reagerar olika vad gäller hur träningsvolym påverkar muskelmassa och styrka.
Det primära syftet med denna avhandling var att relatera anpassningar till styrketräning, genomfört med låg och måttlig volym till individuella egenskaper hos otränade individer. Vidare syftade arbetet till att karakterisera hur träningsvolym påverkar molekylära egenskaper i skelettmuskeln och beskriva tidsförloppet för nybildning av ribosomer under den tidiga fasen av ett styrketräningsprogram. I en första studie (Studie I, Artikel I) genomförde unga, friska, otränade manliga och kvinnliga deltagare (n = 34) en 12 veckor lång träningsperiod med 2–3 träningspass per vecka. Träningen genomfördes med en kontra-lateral träningsmodell där ett ben tränade med låg volym (en serie per övning) och det andra benet tränade med moderat volym (tre serier per övning). Den främre lårmuskelns tvärsnittsarea och styrka mättes före och efter träningsperioden. Muskelprover togs från m. vastus lateralis före och efter träningsperioden samt före och en timme efter det femte träningspasset.
Träningsperioden ledde till muskelhypertrofi och ökad muskelstyrka, denna ökning var volymberoende med större ökning som svar på moderat träningsvolym. Detta sammanföll med större aktivering av molekylär signalering och högre nivåer av markörer relaterade till nybildning av ribosomer. Vidare ledde träning med moderat volym till större övergång från muskelfibertyp IIX till IIA. Tillsammans visade detta att moderat träningsvolym ledde till mer uttalade funktionella och biologiska anpassningar än träning med låg volym. Tretton (muskelmassa) respektive sexton (styrka) deltagare identifierades ha en betydande fördel av att träna med moderat träningsvolym då dessa uppvisade en framgång större än 20% av variationen mellan deltagarna (smallest worthwile change) med denna metod jämfört med låg träningsvolym. Dessa individer visade sig också ha en större ackumulering av RNA i benet som tränade med den högre träningsvolymen efter fyra träningspass. Detta indikerar att volymberoende nybildning av ribosomer ribosomer i den inledande fasen av en träningsperiod förutsäger långsiktiga fördelar med moderat träningsvolym.
RNA från ett urval (n = 25) av deltagarna i Studie I användes till RNA sekvensering (Artikel II). Urvalet gjordes baserat på RNA-kvalité. För att etablera en ändamålsenlig analys genomfördes en systematisk utvärdering av olika bioinformatiska verktyg. Vidare användes olika normaliseringsstrategier för att kunna jämföra de olika träningsvolymerna. Detta då volymberoende ackumulering av RNA som svar på styrketräningen ledde till att olika mängder muskelvävnad användes i analyser då en bestämd mängd RNA användes vid förberedelse av analyserna. Analyserna visade ett ökat uttryck av gener som var relaterade till den extracellulära stödstrukturen efter två veckors träning. Inga skillnader i genuttryck identifierades efter träningsperioden när hänsyn togs till den mängd muskelvävnad som användes i vid förberedelse av analyserna. Detta i motsats till resultat från normaliser- ingsstrategier som inte tog samma hänsyn. Här identifierades istället kontraintuitivt högre uttryck av olika gener som svar på träning med låg volym.
Givet att nybildningen av ribosomer i inledningsfasen av en träningsperiod spelar en viktig roll för de långsiktiga träningsresultaten så genomfördes ytterligare en studie med syfte att vidare undersöka denna process (Artikel III). Specifikt beskrevs tidsförloppet för träningsinducerad ackumulering av ribosomala markörer. Vidare syftade studien till att undersöka om variationer i träningsvolym eller ett kortare träningsavbrott skulle påverka markörer för ribosomal nybildning. Arton deltagare deltog i studien och ingick antingen i en träningsgrupp (n = 11) eller en kontrollgrupp (n = 7). Träningsgruppen genomförde tolv träningspass där det ena benet tränade lårets framsida med en konstant volym genom hela perioden (6 serier) och det andra benet tränade med variabel volym (6, 3 och 9 serier i träningspass 1–4, 5–8 och 9–12). Muskelbiopsier togs från m. vastus lateralis i träningsgruppen före och 48 timmar efter det första träningspasset. Vidare togs biopsier 48 timmar efter träningspass 4, 5, 8, 9 och 12 samt efter åtta dagar utan träning. Biopsier togs också i kontrollgruppen, före och efter en kontrollperiod på 48 timmar och efter ytterligare 2–4 veckor.
Träningsperioden ledde till muskelhypertrofi och ökade styrka i träningsgruppen. Träning ledde också till ökning av mängden RNA, ribosomalt RNA och ökade proteinnivåer av proteiner relaterade till ribosomal nybildning och struktur (upstream bidning protein, UBF och ribosomalt protein S6, rpS6). RNA ökade snabbast under de första fyra träningspassen och nådde en platå efter åtta träningspass (∼ 50% över utgångsvärden). Variationer i träningsvolymen påverkade inte ökningen av RNA eller ribosomalt RNA. Nivåer av protein relaterat till ribosomal nybildning (UBF) var korrelerat med totala nivåer av RNA och ökningar av totala RNA-nivåer förutsade i sin tur träningsinducerad muskelhypertrofi. Efter åtta dagar utan träning minskade RNA och specifika ribosomala RNA utan förändringar i muskelmassa. Detta tyder på minskad nybildning av ribosomer som följd av träningsavbrott. Dessa resultat understryker en avgörande roll för nybildning av ribosomer vid styrketräningsinducerad muskelhypertrofi, och att denna process är känslig för träningsavbrott.
Sammanfattningsvis så visar resultaten i denna avhandling på en avgörande roll för ribosomal nybildning i anpassningen till styrketräning. Vidare så bidrar resultaten till förståelse för hur träningsvolym påverkar anpassningar till styrketräning vad gäller flera aspekter av skelettmuskelns biologi.
