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 We previously observed lifelong endurance exercise (LLE) influenced quadriceps whole‐muscle and myofiber size in a fiber‐type and sex‐specific manner. The current follow‐up exploratory investigation examined myofiber size regulators and myofiber size distribution in vastus lateralis biopsies from these same LLE men ( n = 21, 74 ± 1 years) and women ( n = 7, 72 ± 2 years) as well as old, healthy nonexercisers (OH; men: n = 10, 75 ± 1 years; women: n = 10, 75 ± 1 years) and young exercisers (YE; men: n = 10, 25 ± 1 years; women: n = 10, 25 ± 1 years). LLE exercised ~5 days/week, ~7 h/week for the previous 52 ± 1 years. Slow (myosin heavy chain (MHC) I) and fast (MHC IIa) myofiber nuclei/fiber, myonuclear domain, satellite cells/fiber, and satellite cell density were not influenced ( p > 0.05) by LLE in men and women. The aging groups had ~50%–60% higher proportion of large (>7000 μm 2 ) and small (<3000 μm 2 ) myofibers (OH; men: 44%, women: 48%, LLE; men: 42%, women: 42%, YE; men: 27%, women: 29%). LLE men had triple the proportion of large slow fibers (LLE: 21%, YE: 7%, OH: 7%), while LLE women had more small slow fibers (LLE: 15%, YE: 8%, OH: 9%). LLE reduced by ~50% the proportion of small fast (MHC II containing) fibers in the aging men (OH: 14%, LLE: 7%) and women (OH: 35%, LLE: 18%). These data, coupled with previous findings, suggest that myonuclei and satellite cell content are uninfluenced by lifelong endurance exercise in men ~60–90 years, and this now also extends to septuagenarian lifelong endurance exercise women. Additionally, lifelong endurance exercise appears to influence the relative abundance of small and large myofibers (fast and slow) differently between men and women.

Exercise is a potent stimulus for combatting skeletal muscle ageing. To study the effects of exercise on muscle in a preclinical setting, we developed a combined endurance-resistance training stimulus for mice called progressive weighted wheel running (PoWeR). PoWeR improves molecular, biochemical, cellular and functional characteristics of skeletal muscle and promotes aspects of partial epigenetic reprogramming when performed late in life (22-24 months of age). In this investigation, we leveraged pan-mammalian DNA methylome arrays and tandem mass-spectrometry proteomics in skeletal muscle to provide detailed information on late-life PoWeR adaptations in female mice relative to age-matched sedentary controls (n = 7-10 per group). Differential CpG methylation at conserved promoter sites was related to transcriptional regulation genes as well as Nr4a3, Hes1 and Hox genes after PoWeR. Using a holistic method of -omics integration called binding and expression target analysis (BETA), methylome changes were associated with upregulated proteins related to global and mitochondrial translation after PoWeR (P = 0.03). Specifically, BETA implicated methylation control of ribosomal, mitoribosomal, and mitochondrial complex I protein abundance after training. DNA methylation may also influence LACTB, MIB1 and UBR4 protein induction with exercise - all are mechanistically linked to muscle health. Computational cistrome analysis predicted several transcription factors including MYC as regulators of the exercise trained methylome-proteome landscape, corroborating prior late-life PoWeR transcriptome data. Correlating the proteome to muscle mass and fatigue resistance revealed positive relationships with VPS13A and NPL levels, respectively. Our findings expose differential epigenetic and proteomic adaptations associated with translational regulation after PoWeR that could influence skeletal muscle mass and function in aged mice. KEY POINTS: Late-life combined endurance-resistance exercise training from 22-24 months of age in mice is shown to improve molecular, biochemical, cellular and in vivo functional characteristics of skeletal muscle and promote aspects of partial epigenetic reprogramming and epigenetic age mitigation. Integration of DNA CpG 36k methylation arrays using conserved sites (which also contain methylation ageing clock sites) with exploratory proteomics in skeletal muscle extends our prior work and reveals coordinated and widespread regulation of ribosomal, translation initiation, mitochondrial ribosomal (mitoribosomal) and complex I proteins after combined voluntary exercise training in a sizeable cohort of female mice (n = 7-10 per group and analysis). Multi-omics integration predicted epigenetic regulation of serine β-lactamase-like protein (LACTB - linked to tumour resistance in muscle), mind bomb 1 (MIB1 - linked to satellite cell and type 2 fibre maintenance) and ubiquitin protein ligase E3 component N-recognin 4 (UBR4 - linked to muscle protein quality control) after training. Computational cistrome analysis identified MYC as a regulator of the late-life training proteome, in agreement with prior transcriptional analyses. Vacuolar protein sorting 13 homolog A (VPS13A) was positively correlated to muscle mass, and the glycoprotein/glycolipid associated sialylation enzyme N-acetylneuraminate pyruvate lyase (NPL) was associated to in vivo muscle fatigue resistance.

Endurance exercise is an important health modifier. We studied cell-type specific adaptations of human skeletal muscle to acute endurance exercise using single-nucleus (sn) multiome sequencing in human vastus lateralis samples collected before and 3.5 hours after 40 min exercise at 70% VO2max in four subjects, as well as in matched time of day samples from two supine resting circadian controls. High quality same-cell RNA-seq and ATAC-seq data were obtained from 37,154 nuclei comprising 14 cell types. Among muscle fiber types, both shared and fiber-type specific regulatory programs were identified. Single-cell circuit analysis identified distinct adaptations in fast, slow and intermediate fibers as well as LUM-expressing FAP cells, involving a total of 328 transcription factors (TFs) acting at altered accessibility sites regulating 2,025 genes. These data and circuit mapping provide single-cell insight into the processes underlying tissue and metabolic remodeling responses to exercise.