Duchenne muscular dystrophy is an X-linked degenerative disorder of muscle caused by the absence of the protein dystrophin. A major consequence of muscular dystrophy is that the normal regenerative capacity of skeletal muscle cannot compensate for increased susceptibility to damage, leading to repetitive cycles of degeneration-regeneration and ultimately resulting in the replacement of muscle fibers with fibrotic tissue. Because insulin-like growth factor I (IGF-I) has been shown to enhance muscle regeneration and protein synthetic pathways, we asked whether high levels of muscle-specific expression of IGF-I in mdx muscle could preserve muscle function in the diseased state. In transgenic mdx mice expressing mIgf-I (mdx:mIgf+/+), we showed that muscle mass increased by at least 40% leading to similar increases in force generation in extensor digitorum longus muscles compared with those from mdx mice. Diaphragms of transgenic mdx:mIgf+/+ exhibited significant hypertrophy and hyperplasia at all ages observed. Furthermore, the IGF-I expression significantly reduced the amount of fibrosis normally observed in diaphragms from aged mdx mice. Decreased myonecrosis was also observed in diaphragms and quadriceps from mdx:mIgf+/+ mice when compared with age-matched mdx animals. Finally, signaling pathways associated with muscle regeneration and protection against apoptosis were significantly elevated. These results suggest that a combination of promoting muscle regenerative capacity and preventing muscle necrosis could be an effective treatment for the secondary symptoms caused by the primary loss of dystrophin.

Muscular dystrophies comprise a diverse group of genetic disorders that lead to muscle wasting and, in many instances, premature death. Many mutations that cause muscular dystrophy compromise the support network that connects myofilament proteins within the cell to the basal lamina outside the cell, rendering the sarcolemma more permeable or leaky. Here we show that deletion of the gene encoding cyclophilin D (Ppif) rendered mitochondria largely insensitive to the calcium overload-induced swelling associated with a defective sarcolemma, thus reducing myofiber necrosis in two distinct models of muscular dystrophy. Mice lacking delta-sarcoglycan (Scgd(-/-) mice) showed markedly less dystrophic disease in both skeletal muscle and heart in the absence of Ppif. Moreover, the premature lethality associated with deletion of Lama2, encoding the alpha-2 chain of laminin-2, was rescued, as were other indices of dystrophic disease. Treatment with the cyclophilin inhibitor Debio-025 similarly reduced mitochondrial swelling and necrotic disease manifestations in mdx mice, a model of Duchenne muscular dystrophy, and in Scgd(-/-) mice. Thus, mitochondrial-dependent necrosis represents a prominent disease mechanism in muscular dystrophy, suggesting that inhibition of cyclophilin D could provide a new pharmacologic treatment strategy for these diseases.

Myostatin is a TGF-β family member that normally acts to limit skeletal muscle mass. Follistatin is a myostatin-binding protein that can inhibit myostatin activity in vitro and promote muscle growth in vivo. Mice homozygous for a mutation in the Fst gene have been shown to die immediately after birth but have a reduced amount of muscle tissue, consistent with a role for follistatin in regulating myogenesis. Here, we show that Fst mutant mice exhibit haploinsufficiency, with muscles of Fst heterozygotes having significantly reduced size, a shift toward more oxidative fiber types, an impairment of muscle remodeling in response to cardiotoxin-induced injury, and a reduction in tetanic force production yet a maintenance of specific force. We show that the effect of heterozygous loss of Fst is at least partially retained in a Mstn-null background, implying that follistatin normally acts to inhibit other TGF-β family members in addition to myostatin to regulate muscle size. Finally, we present genetic evidence suggesting that activin A may be one of the ligands that is regulated by follistatin and that functions with myostatin to limit muscle mass. These findings potentially have important implications with respect to the development of therapeutics targeting this signaling pathway to preserve muscle mass and prevent muscle atrophy in a variety of inherited and acquired forms of muscle degeneration.

Histological assessment of skeletal muscle tissue is commonly applied to many areas of skeletal muscle physiological research. Histological parameters including fiber distribution, fiber type, centrally nucleated fibers, and capillary density are all frequently quantified measures of skeletal muscle. These parameters reflect functional properties of muscle and undergo adaptation in many muscle diseases and injuries. While standard operating procedures have been developed to guide analysis of many of these parameters, the software to freely, efficiently, and consistently analyze them is not readily available. In order to provide this service to the muscle research community we developed an open source MATLAB script to analyze immunofluorescent muscle sections incorporating user controls for muscle histological analysis.The software consists of multiple functions designed to provide tools for the analysis selected. Initial segmentation and fiber filter functions segment the image and remove non-fiber elements based on user-defined parameters to create a fiber mask. Establishing parameters set by the user, the software outputs data on fiber size and type, centrally nucleated fibers, and other structures. These functions were evaluated on stained soleus muscle sections from 1-year-old wild-type and mdx mice, a model of Duchenne muscular dystrophy. In accordance with previously published data, fiber size was not different between groups, but mdx muscles had much higher fiber size variability. The mdx muscle had a significantly greater proportion of type I fibers, but type I fibers did not change in size relative to type II fibers. Centrally nucleated fibers were highly prevalent in mdx muscle and were significantly larger than peripherally nucleated fibers.The MATLAB code described and provided along with this manuscript is designed for image processing of skeletal muscle immunofluorescent histological sections. The program allows for semi-automated fiber detection along with user correction. The output of the code provides data in accordance with established standards of practice. The results of the program have been validated using a small set of wild-type and mdx muscle sections. This program is the first freely available and open source image processing program designed to automate analysis of skeletal muscle histological sections.

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.

Sepsis is a major cause of in-hospital deaths. Improvements in treatment result in a greater number of sepsis survivors. Approximately 75% of the survivors develop muscle weakness and atrophy, increasing the incidence of hospital readmissions and mortality. However, the available preclinical models of sepsis do not address skeletal muscle disuse, a key component for the development of sepsis-induced myopathy. Our objective in this protocol is to provide a step-by-step guideline for a mouse model that reproduces the clinical setting experienced by a bedridden septic patient. Male C57Bl/6 mice were used to develop this model. Mice underwent cecal ligation and puncture (CLP) to induce sepsis. Four days post-CLP, mice were subjected to hindlimb suspension (HLS) for seven days. Results were compared with sham-matched surgeries and/or animals with normal ambulation (NA). Muscles were dissected for in vitro muscle mechanics and morphological assessments. The model results in marked muscle atrophy and weakness, a similar phenotype observed in septic patients. The model represents a platform for testing potential therapeutic strategies for the mitigation of sepsis-induced myopathy.

ABSTRACT Limb-Girdle Muscular Dystrophy 2A (LGMD2A) is caused by mutations in the CAPN3 gene encoding Calpain 3, a skeletal-muscle specific, Ca 2+ -dependent protease. Localization of Calpain 3 within the triad suggests it contributes to Ca 2+ homeostasis. Through live-cell Ca 2+ measurements, muscle mechanics, immunofluorescence, and electron microscopy (EM) in Capn3 deficient (C3KO) and wildtype (WT) mice, we determined if loss of Calpain 3 altered Store-Operated Calcium Entry (SOCE) activity. Direct Ca 2+ influx measurements revealed loss of Capn3 elicits elevated resting SOCE and increased resting cytosolic Ca 2+ , supported by high incidence of calcium entry units (CEUs) observed by EM. C3KO and WT mice were subjected to a single bout of treadmill running to elicit SOCE. Within 1HR post-treadmill running, C3KO mice exhibited diminished force production in extensor digitorum longus muscles and a greater decay of Ca 2+ transients in flexor digitorum brevis muscle fibers during repetitive stimulation. Striking evidence for impaired exercise-induced SOCE activation in C3KO mice included poor colocalization of key SOCE proteins, stromal-interacting molecule 1 (STIM1) and ORAI1, combined with disappearance of CEUs in C3KO muscles. These results demonstrate that Calpain 3 is a key regulator of SOCE in skeletal muscle and identify SOCE dysregulation as a contributing factor to LGMD2A pathology.