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 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.

Abstract Mice with skeletal muscle-specific inducible double knockout of the lysine acetyltransferases, p300 (E1A binding protein p300) and CBP (cAMP-response element-binding protein binding protein), referred to as i-mPCKO, demonstrate a dramatic loss of contractile function in skeletal muscle and ultimately die within 7 days. Given that many proteins involved in ATP generation and cross-bridge cycling are acetylated, we investigated whether these processes are dysregulated in skeletal muscle from i-mPCKO mice and thus could underlie the rapid loss of muscle contractile function. Just 4-5 days after inducing knockout of p300 and CBP in skeletal muscle from adult i-mPCKO mice, there was ∼90% reduction in ex vivo contractile function in the extensor digitorum longus (EDL) and a ∼65% reduction in in vivo ankle dorsiflexion torque, as compared to wildtype (WT; i.e. Cre negative) littermates. Despite the profound loss of contractile force in i-mPCKO mice, there were no genotype-driven differences in fatigability during repeated contractions, nor were there genotype differences in mitochondrial specific pathway enrichment of the proteome, intermyofibrillar mitochondrial volume or mitochondrial respiratory function. As it relates to cross-bridge cycling, remarkably, the overt loss of contractile function in i-mPCKO muscle was reversed in permeabilized fibers supplied with exogenous Ca 2+ and ATP, with active tension being similar between i-mPCKO and WT mice, regardless of Ca 2+ concentration. Actin-myosin motility was also similar in skeletal muscle from i-mPCKO and WT mice. In conclusion, neither mitochondrial abundance/function, nor actomyosin cross-bridge cycling, are the underlying driver of contractile dysfunction in i-mPCKO mice. New & Noteworthy The mechanism underlying dramatic loss of muscle contractile function with inducible deletion of both p300 and CBP in skeletal muscle remains unknown. Here we find that impairments in mitochondrial function or cross-bridge cycling are not the underlying mechanism of action. Future work will investigate other aspects of excitation-contraction coupling, such as Ca 2+ handling and membrane excitability, as contractile function could be rescued by permeabilizing skeletal muscle, which provides exogenous Ca 2+ and bypasses membrane depolarization.

Exercise is firmly established as a key contributor to overall well-being and is frequently employed as a therapeutic approach to mitigate various health conditions. One pivotal aspect of the impact of exercise lies in the systemic transcriptional response, which underpins its beneficial adaptations. While extensive research has been devoted to understanding the transcriptional response to exercise, our knowledge of the protein constituents of nuclear processes that accompany gene expression in skeletal muscle remains largely elusive. We hypothesize that alterations in the nuclear proteome following exercise hold vital clues for comprehending the transcriptional regulation and other related nuclear functions. We isolated skeletal muscle nuclei from C57BL/6 mice both sedentary control and one-hour post 30-minute treadmill running, to gain insights into the nuclear proteome after exercise. A substantial number of the 2,323 proteins identified, were related to nuclear functions. For instance, we found 59 proteins linked to nucleocytoplasmic transport were higher in sedentary mice compared to exercise, hinting at an exercise-induced modulation to nuclear trafficking. Furthermore, 135 proteins exhibited increased abundance after exercise (FDR < 0.1) while 89 proteins decreased, with the most prominent changes in proteins linked to mRNA processing and splicing. Super resolution microscopy further highlights potential localization change in mRNA processing proteins post-exercise, further suggesting changes in nuclear transport dynamics. Nonetheless, our data provide important considerations for the study of the nuclear proteome and supports a paradigm through which exercise downregulated mRNA processing and splicing, offering valuable insights into the broader landscape of the impact from acute exercise.

Abstract Drosophila sechellia is an island endemic host specialist that has evolved to consume the toxic fruit of Morinda citrifolia , also known as noni fruit. Recent studies by our group and others have examined genome-wide gene expression responses of fruit flies to individual highly abundant compounds found in noni responsible for the fruit’s unique chemistry and toxicity. In order to relate these reductionist experiments to the gene expression responses to feeding on noni fruit itself, we fed rotten noni fruit to adult female D. sechellia and performed RNA-sequencing. Combining the reductionist and more wholistic approaches, we have identified candidate genes that may contribute to each individual compound and those that play a more general role in response to the fruit as a whole. Using the compound specific and general responses, we used transcription factor prediction analyses to identify the regulatory networks and specific regulators involved in the responses to each compound and the fruit itself. The identified genes and regulators represent the possible genetic mechanisms and biochemical pathways that contribute to toxin resistance and noni specialization in D. sechellia .

Abstract Building mechanistic models of kinase-driven signaling pathways requires quantitative measurements of protein phosphorylation across physiologically relevant conditions, but this is rarely done because of the insensitivity of traditional technologies. By using a multiplexed deep phosphoproteome profiling workflow, we were able to generate a deep phosphoproteomics dataset of the EGFR-MAPK pathway in non-transformed MCF10A cells across physiological ligand concentrations with a time resolution of <12 min and in the presence and absence of multiple kinase inhibitors. An improved phosphosite mapping technique allowed us to reliably identify >46,000 phosphorylation sites on >6600 proteins, of which >4500 sites from 2110 proteins displayed a >2-fold increase in phosphorylation in response to EGF. This data was then placed into a cellular context by linking it to 15 previously published protein databases. We found that our results were consistent with much, but not all previously reported data regarding the activation and negative feedback phosphorylation of core EGFR-ERK pathway proteins. We also found that EGFR signaling is biphasic with substrates downstream of RAS/MAPK activation showing a maximum response at <3ng/ml EGF while direct substrates, such as HGS and STAT5B, showing no saturation. We found that RAS activation is mediated by at least 3 parallel pathways, two of which depend on PTPN11. There appears to be an approximately 4-minute delay in pathway activation at the step between RAS and RAF, but subsequent pathway phosphorylation was extremely rapid. Approximately 80 proteins showed a >2-fold increase in phosphorylation across all experiments and these proteins had a significantly higher median number of phosphorylation sites (~18) relative to total cellular phosphoproteins (~4). Over 60% of EGF-stimulated phosphoproteins were downstream of MAPK and included mediators of cellular processes such as gene transcription, transport, signal transduction and cytoskeletal arrangement. Their phosphorylation was either linear with respect to MAPK activation or biphasic, corresponding to the biphasic signaling seen at the level of the EGFR. This deep, integrated phosphoproteomics data resource should be useful in building mechanistic models of EGFR and MAPK signaling and for understanding how downstream responses are regulated.

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.