Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

Abstract Background Ageing is associated with DNA methylation changes in all human tissues, and epigenetic markers can estimate chronological age based on DNA methylation patterns across tissues. However, the construction of the original pan-tissue epigenetic clock did not include skeletal muscle samples, and hence exhibited a strong deviation between DNA methylation and chronological age in this tissue. Methods To address this, we developed a more accurate, muscle-specific epigenetic clock based on the genome-wide DNA methylation data of 682 skeletal muscle samples from 12 independent datasets (18-89 years old, 22% women, 99% Caucasian), all generated with Illumina HumanMethylation arrays (HM27, HM450 or HMEPIC). We also took advantage of the large number of samples to conduct an epigenome-wide association study (EWAS) of age-associated DNA methylation patterns in skeletal muscle. Results The newly developed clock uses 200 CpGs to estimate chronological age in skeletal muscle, 16 of which are in common with the 353 CpGs of the pan-tissue clock. The muscle clock outperformed the pan-tissue clock, with a median error of only 4.6 years across datasets ( vs 13.1 years for the pan-tissue clock, p < 0.0001) and an average correlation of ρ = 0.62 between actual and predicted age across datasets ( vs ρ = 0.51 for the pan-tissue clock). Lastly, we identified 180 differentially methylated regions (DMRs) with age in skeletal muscle at a False Discovery Rate < 0.005. However, Gene Set Enrichment Analysis did not reveal any enrichment for Gene Ontologies. Conclusions We have developed a muscle-specific epigenetic clock that predicts age with better accuracy than the pan-tissue clock. We implemented the muscle clock in an R package called MEAT available on Bioconductor to estimate epigenetic age in skeletal muscle samples. This clock may prove valuable in assessing the impact of environmental factors, such as exercise and diet, on muscle-specific biological ageing processes.

Abstract Exercise training prevents age-related decline in muscle function. Targeting epigenetic aging is a promising actionable mechanism and late-life exercise mitigates epigenetic aging in rodent muscle. Whether exercise training can decelerate, or reverse epigenetic aging in humans is unknown. Here, we performed a powerful meta-analysis of the methylome and transcriptome of an unprecedented number of human skeletal muscle samples (n = 3,176). We show that: 1) individuals with higher baseline aerobic fitness have younger epigenetic and transcriptomic profiles, 2) exercise training leads to significant shifts of epigenetic and transcriptomic patterns towards a younger profile, and 3) muscle disuse “ages” the transcriptome. Higher fitness levels were associated with attenuated differential methylation and transcription during aging. Furthermore, both epigenetic and transcriptomic profiles shifted towards a younger state after exercise training interventions, while the transcriptome shifted towards an older state after forced muscle disuse. We demonstrate that exercise training targets many of the age-related transcripts and DNA methylation loci to maintain younger methylome and transcriptome profiles, specifically in genes related to muscle structure, metabolism and mitochondrial function. Our comprehensive analysis will inform future studies aiming to identify the best combination of therapeutics and exercise regimes to optimize longevity.

Transcription factors (TFs) play a key role in regulating gene expression and responses to stimuli. We conducted an integrated analysis of chromatin accessibility, DNA methylation, and RNA expression across eight rat tissues following endurance exercise training (EET) to map epigenomic changes to transcriptional changes and determine key TFs involved. We uncovered tissue-specific changes and TF motif enrichment across all omic layers, differentially accessible regions (DARs), differentially methylated regions (DMRs), and differentially expressed genes (DEGs). We discovered distinct routes of EET-induced regulation through either epigenomic alterations providing better access for TFs to affect target genes, or via changes in TF expression or activity enabling target gene response. We identified TF motifs enriched among correlated epigenomic and transcriptomic alterations, DEGs correlated with exercise-related phenotypic changes, and EET-induced activity changes of TFs enriched for DEGs among their gene targets. This analysis elucidates the unique transcriptional regulatory mechanisms mediating diverse organ effects of EET.

Mitochondria are adaptable organelles with diverse cellular functions critical to whole-body metabolic homeostasis. While chronic endurance exercise training is known to alter mitochondrial activity, these adaptations have not yet been systematically characterized. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) mapped the longitudinal, multi-omic changes in mitochondrial analytes across 19 tissues in male and female rats endurance trained for 1, 2, 4 or 8 weeks. Training elicited substantial changes in the adrenal gland, brown adipose, colon, heart and skeletal muscle, while we detected mild responses in the brain, lung, small intestine and testes. The colon response was characterized by non-linear dynamics that resulted in upregulation of mitochondrial function that was more prominent in females. Brown adipose and adrenal tissues were characterized by substantial downregulation of mitochondrial pathways. Training induced a previously unrecognized robust upregulation of mitochondrial protein abundance and acetylation in the liver, and a concomitant shift in lipid metabolism. The striated muscles demonstrated a highly coordinated response to increase oxidative capacity, with the majority of changes occurring in protein abundance and post-translational modifications. We identified exercise upregulated networks that are downregulated in human type 2 diabetes and liver cirrhosis. In both cases HSD17B10, a central dehydrogenase in multiple metabolic pathways and mitochondrial tRNA maturation, was the main hub. In summary, we provide a multi-omic, cross-tissue atlas of the mitochondrial response to training and identify candidates for prevention of disease-associated mitochondrial dysfunction.

Abstract Alpha-actinin 2 (ACTN2) anchors actin within cardiac sarcomeres. The mechanisms linking ACTN2 mutations to myocardial disease phenotypes are unknown. Here, we characterize patients with novel ACTN2 mutations to reveal insights into the physiological function of ACTN2. Patient-derived iPSC-cardiomyocytes harboring ACTN2 protein-truncating variants were hypertrophic, displayed sarcomeric structural disarray, impaired contractility, and aberrant Ca 2+ -signaling. In heterozygous indel cells, the truncated protein incorporates into cardiac sarcomeres, leading to aberrant Z-disc structure. In homozygous stop-gain cells, affinity-purification mass spectrometry reveals an intricate ACTN2 interactome with sarcomere and sarcolemma-associated proteins. Loss of the C-terminus of ACTN2 disrupts interaction with ACTN1 and GJA1, two sarcolemma-associated proteins, that may lead to the clinical arrhythmic and relaxation defects. The causality of the stop-gain mutation was verified using CRISPR-Cas9 gene editing. Together, these data advance our understanding of the role of ACTN2 in the human heart and establish recessive inheritance of ACTN2 truncation as causative of disease.

A physically active lifestyle is essential for maintaining health, and is a powerful way to prevent chronic disease. However, the molecular mechanisms that drive exercise adaptation and transduce its beneficial effects, are incompletely understood. Here, we combined data from 49 studies that measured the whole transcriptome in humans before and after exercise to provide the power to draw novel observations not seen in any individual study alone. The resulting curated and standardized resource includes samples from skeletal muscle (n=1,260) and blood (n=726) in response to endurance or resistance exercise and training. Using a linear mixed effects meta-regression model selection strategy, we detected specific time patterns and novel regulatory modulators of the acute exercise response. Acute and long term responses to exercise were transcriptionally distinct. Exercise induced a more pronounced inflammatory response in skeletal muscle of older individuals. We identified multiple sex-specific response genes, where MTMR3 is a novel exercise-regulated gene. These results deepen our understanding of the transcriptional responses to exercise and provide a powerful resource for future research efforts in exercise physiology and medicine.

Subcutaneous white adipose tissue (scWAT) is a dynamic storage and secretory organ that regulates systemic homeostasis, yet the impact of endurance exercise training and sex on its molecular landscape has not been fully established. Utilizing an integrative multi-omics approach with data generated by the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), we identified profound sexual dimorphism in the dynamic response of rat scWAT to endurance exercise training. Despite similar cardiorespiratory improvements, only male rats reduced whole-body adiposity, scWAT adipocyte size, and total scWAT triglyceride abundance with training. Multi-omic analyses of adipose tissue integrated with phenotypic measures identified sex-specific training responses including enrichment of mTOR signaling in females, while males displayed enhanced mitochondrial ribosome biogenesis and oxidative metabolism. Overall, this study reinforces our understanding that sex impacts scWAT biology and provides a rich resource to interrogate responses of scWAT to endurance training.