OBJECTIVE To determine whether circulating metabolic intermediates are related to insulin resistance and β-cell dysfunction in individuals at risk for type 2 diabetes. RESEARCH DESIGN AND METHODS In 73 sedentary, overweight to obese, dyslipidemic individuals, insulin action was derived from a frequently sampled intravenous glucose tolerance test. Plasma concentrations of 75 amino acids, acylcarnitines, free fatty acids, and conventional metabolites were measured with a targeted, mass spectrometry–based platform. Principal components analysis followed by backward stepwise linear regression was used to explore relationships between measures of insulin action and metabolic intermediates. RESULTS The 75 metabolic intermediates clustered into 19 factors comprising biologically related intermediates. A factor containing large neutral amino acids was inversely related to insulin sensitivity (SI) (R2 = 0.26). A factor containing fatty acids was inversely related to the acute insulin response to glucose (R2 = 0.12). Both of these factors, age, and a factor containing medium-chain acylcarnitines and glucose were inversely and independently related to the disposition index (DI) (R2 = 0.39). Sex differences were found for metabolic predictors of SI and DI. CONCLUSIONS In addition to the well-recognized risks for insulin resistance, elevated concentrations of large, neutral amino acids were independently associated with insulin resistance. Fatty acids were inversely related to the pancreatic response to glucose. Both large neutral amino acids and fatty acids were related to an appropriate pancreatic response, suggesting that these metabolic intermediates might play a role in the progression to type 2 diabetes, one by contributing to insulin resistance and the other to pancreatic failure. These intermediates might exert sex-specific effects on insulin action.

Biological aging is the gradual, progressive decline in system integrity that occurs with advancing chronological age, causing morbidity and disability. Measurements of the pace of aging are needed as surrogate endpoints in trials of therapies designed to prevent disease by slowing biological aging. We report a blood-DNA-methylation measure that is sensitive to variation in pace of biological aging among individuals born the same year. We first modeled change-over-time in 18 biomarkers tracking organ-system integrity across 12 years of follow-up in n = 954 members of the Dunedin Study born in 1972–1973. Rates of change in each biomarker over ages 26–38 years were composited to form a measure of aging-related decline, termed Pace-of-Aging. Elastic-net regression was used to develop a DNA-methylation predictor of Pace-of-Aging, called DunedinPoAm for Dunedin(P)ace(o)f(A)ging(m)ethylation. Validation analysis in cohort studies and the CALERIE trial provide proof-of-principle for DunedinPoAm as a single-time-point measure of a person’s pace of biological aging.

Background For several cardiometabolic risk factors, values considered within normal range are associated with an increased risk of cardiovascular morbidity and mortality. We aimed to investigate the short-term and long-term effects of calorie restriction with adequate nutrition on these risk factors in healthy, lean, or slightly overweight young and middle-aged individuals. Methods CALERIE was a phase 2, multicentre, randomised controlled trial in young and middle-aged (21–50 years), healthy non-obese (BMI 22·0–27·9 kg/m2) men and women done in three clinical centres in the USA. Participants were randomly assigned (2:1) to a 25% calorie restriction diet or an ad libitum control diet. Exploratory cardiometabolic risk factor responses to a prescribed 25% calorie restriction diet for 2 years were evaluated (systolic, diastolic, and mean blood pressure; plasma lipids; high-sensitivity C-reactive protein; metabolic syndrome score; and glucose homoeostasis measures of fasting insulin, glucose, insulin resistance, and 2-h glucose, area-under-the curve for glucose, and insulin from an oral glucose tolerance test) analysed in the intention-to-treat population. This study is registered with ClinicalTrials.gov, number NCT00427193. Findings From May 8, 2007, to Feb 26, 2010, of 238 participants that were assessed, 218 were randomly assigned to and started a 25% calorie restriction diet (n=143, 66%) or an ad libitum control diet (n=75, 34%). Individuals in the calorie restriction group achieved a mean reduction in calorie intake of 11·9% (SE 0·7; from 2467 kcal to 2170 kcal) versus 0·8% (1·0) in the control group, and a sustained mean weight reduction of 7·5 kg (SE 0·4) versus an increase of 0·1 kg (0·5) in the control group, of which 71% (mean change in fat mass 5·3 kg [SE 0·3] divided by mean change in weight 7·5 kg [0·4]) was fat mass loss. Calorie restriction caused a persistent and significant reduction from baseline to 2 years of all measured conventional cardiometabolic risk factors, including change scores for LDL-cholesterol (p<0·0001), total cholesterol to HDL-cholesterol ratio (p<0·0001), and systolic (p<0·0011) and diastolic (p<0·0001) blood pressure. In addition, calorie restriction resulted in a significant improvement at 2 years in C-reactive protein (p=0·012), insulin sensitivity index (p<0·0001), and metabolic syndrome score (p<0·0001) relative to control. A sensitivity analysis revealed the responses to be robust after controlling for relative weight loss changes. Interpretation 2 years of moderate calorie restriction significantly reduced multiple cardiometabolic risk factors in young, non-obese adults. These findings suggest the potential for a substantial advantage for cardiovascular health of practicing moderate calorie restriction in young and middle-aged healthy individuals, and they offer promise for pronounced long-term population health benefits. Funding National Institute on Aging and National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, National Institutes of Health.

Uric acid (UA) is known to activate the NLRP3 (Nacht, leucine-rich repeat and pyrin domain containing protein 3) inflammasome. When activated, the NLRP3 (also known as NALP3) inflammasome leads to the production of IL-18 and IL-1β. In this cohort of subjects with knee osteoarthritis (OA), synovial fluid uric acid was strongly correlated with synovial fluid IL-18 and IL-1β. Synovial fluid uric acid and IL-18 were strongly and positively associated with OA severity as measured by both radiograph and bone scintigraphy, and synovial fluid IL-1β was associated with OA severity but only by radiograph. Furthermore, synovial fluid IL-18 was associated with a 3-y change in OA severity, on the basis of the radiograph. We conclude that synovial fluid uric acid is a marker of knee OA severity. The correlation of synovial fluid uric acid with the two cytokines (IL-18 and IL-1β) known to be produced by uric acid-activated inflammasomes and the association of synovial fluid IL-18 with OA progression, lend strong support to the potential involvement of the innate immune system in OA pathology and OA progression.

ABSTRACT Biological aging is the gradual, progressive decline in system integrity that occurs with advancing chronological age, causing morbidity and disability. Measurements of the pace of aging are needed to serve as surrogate endpoints in trials of therapies designed to prevent disease by slowing biological aging. We report a blood DNA-methylation measure that is sensitive to variation in the pace of biological aging among individuals born the same year. We first modeled longitudinal change in 18 biomarkers tracking organ-system integrity across 12 years of follow-up in the Dunedin birth cohort. Rates of change in each biomarker were composited to form a measure of aging-related decline, termed Pace of Aging. Elastic-net regression was used to develop a DNA-methylation predictor of Pace of Aging, called DunedinPoAm for Dunedin (P)ace (o)f (A)ging (m)ethylation. Validation analyses showed DunedinPoAm was associated with functional decline in the Dunedin Study and more advanced biological age in the Understanding Society Study, predicted chronic disease and mortality in the Normative Aging Study, was accelerated by early-life adversity in the E-risk Study, and DunedinPoAm prediction was disrupted by caloric restriction in the CALERIE trial. DunedinPoAm generally outperformed epigenetic clocks. Findings provide proof-of-principle for DunedinPoAm as a single-time-point measure of a person’s pace of biological aging.

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.

Background: While exercise training elicits substantial health benefits, too few individuals adopt exercise as a health maintenance strategy. Thus, determining if a relatively modest duration of exercise training can lead to sustained benefits years later (legacy effects) is clinically important. The STRRIDE I Reunion revealed legacy effects for cardiorespiratory fitness (CRF) and cardiometabolic risk factors 10 years after exercise intervention. In an older cohort at greater risk of disease development, the STRRIDE-PD Reunion study aims to determine whether prior exercise training–with or without weight loss–elicits legacy health effects. Hypotheses: Those who completed vigorous intensity training will have maintained CRF to the greatest extent, while those who completed a high amount of training will have maintained body composition to the greatest extent. Methods: In STRRIDE-PD, sedentary adults (45-75 y) with prediabetes and overweight/obesity were randomized to one of four 6-month aerobic training groups: 1) low amount/moderate intensity (LM); 2) high amount/moderate intensity (HM); 3) high amount/vigorous intensity (HV); or 4) LM plus diet/weight loss (LMD). Waist circumference (WC), body composition via BODPOD, and CRF (relative peak VO 2 ) were measured at baseline, post-intervention, and Reunion (10 y). Change scores were calculated as Reunion value minus baseline. Two-tailed t -tests determined within-group significance (p<0.05). ANCOVA with baseline values assessed among-group effects. Results: Seventy-three participants (71.3±7.2 y; 64% women; 78% White) returned for the STRRIDE-PD Reunion study. Compared to baseline, all groups either maintained (HM and LMD) or significantly reduced (HV and LM) WC and total body mass. LM, LMD, and HV experienced significant reductions in fat free mass. All groups showed a significant decrease in CRF, ranging from ~10% (LM, LMD, and HV) to 16% (HM). Magnitudes of change were not different among groups. Conclusion: All groups exhibited legacy effects for WC, fat mass, and body mass. Although LM and HV significantly reduced WC and body mass compared to baseline, these changes were coupled with fat free mass reductions. Contrary to STRRIDE I, vigorous intensity participants did not maintain CRF to a greater extent than moderate intensity. These STRRIDE-PD specific findings may indicate aging-related skeletal muscle loss and an accelerated CRF decline for older individuals at increased risk for cardiometabolic disease.

Caloric restriction (CR) slows biological aging and prolongs healthy lifespan in model organisms. Findings from CALERIE-2™ – the first ever randomized, controlled trial of long-term CR in healthy, non-obese humans – broadly supports a similar pattern of effects in humans. To expand our understanding of the molecular pathways and biological processes underpinning CR effects in humans, we generated a series of genomic datasets from stored biospecimens collected from n=218 participants during the trial. These data constitute the first publicly-accessible genomic data resource for a randomized controlled trial of an intervention targeting the biology of aging. Datasets include whole-genome SNP genotypes, and three-timepoint-longitudinal DNA methylation, mRNA, and small RNA datasets generated from blood, skeletal muscle, and adipose tissue samples (total sample n=2327). The CALERIE Genomic Data Resource described in this article is available from the Aging Research Biobank. This multi-tissue, multi-omic, longitudinal data resource has great potential to advance translational geroscience.

ABSTRACT BACKGROUND Calorie restriction (CR) increases healthy lifespan and is accompanied by slowing or reversal of aging-associated DNA methylation (DNAm) changes in animal models. In the Comprehensive Assessment of Long-term Effects of Reducing Intake of Energy (CALERIE™) human trial we evaluated associations of CR and changes in whole-blood DNAm. METHODS CALERIE™ randomized 220 healthy, non-obese adults in a 2:1 allocation to two years of CR or ad libitum (AL) diet. The average CR in the treatment group through 24-months of follow-up was 12%. Whole blood (baseline, 12 and 24 month) DNAm profiles were measured. Epigenome-wide association study (EWAS) analysis tested CR-induced changes from baseline to 12- and 24-months in the n=197 participants with available DNAm data. RESULTS No CpG-site-specific changes with CR reached epigenome-wide significance (FDR<0.05). Secondary analyses of CpG sites identified in published EWAS suggest, we found that CR induced DNAm changes opposite those associated with body mass index (BMI) and smoking (p<0.003 at 12- and 24-month follow-ups). In contrast, CR altered DNAm at chronological-age associated CpG sites in the direction of older age (p<0.003 at 12- and 24-month follow-ups). CONCLUSION Although individual CpG site DNAm changes in response to CR were not identified, analyses of sets CpGs identified in prior EWAS revealed CR-induced changes to blood DNAm. Altered CpG sets were enriched for insulin-production, glucose-tolerance, inflammation, and DNA-binding and -regulation pathways, several of which are known to be modified by CR. DNAm changes may contribute to CR effects on aging.