The aim of this investigation was to document the exercise program used by crewmembers ( n = 9; 45 ± 2 yr) while aboard the International Space Station (ISS) for 6 mo and examine its effectiveness for preserving calf muscle characteristics. Before and after spaceflight, we assessed calf muscle volume (MRI), static and dynamic calf muscle performance, and muscle fiber types (gastrocnemius and soleus). While on the ISS, crewmembers had access to a running treadmill, cycle ergometer, and resistance exercise device. The exercise regimen varied among the crewmembers with aerobic exercise performed ∼5 h/wk at a moderate intensity and resistance exercise performed 3–6 days/wk incorporating multiple lower leg exercises. Calf muscle volume decreased ( P < 0.05) 13 ± 2% with greater ( P < 0.05) atrophy of the soleus (−15 ± 2%) compared with the gastrocnemius (−10 ± 2%). Peak power was 32% lower ( P < 0.05) after spaceflight. Force-velocity characteristics were reduced ( P < 0.05) −20 to −29% across the velocity spectrum. There was a 12–17% shift in myosin heavy chain (MHC) phenotype of the gastrocnemius and soleus with a decrease ( P < 0.05) in MHC I fibers and a redistribution among the faster phenotypes. These data show a reduction in calf muscle mass and performance along with a slow-to-fast fiber type transition in the gastrocnemius and soleus muscles, which are all qualities associated with unloading in humans. Future long-duration space missions should modify the current ISS exercise prescription and/or hardware to better preserve human skeletal muscle mass and function, thereby reducing the risk imposed to crewmembers.

We examined intramuscular endomysial collagen, cross-linking, and advanced glycation end products, as well as the general and contractile protein concentration of 20 young (25 ± 3 yr) and 22 old (78 ± 6 yr, range: 70–93 yr) sedentary men and women to better understand the underlying basis of changes in skeletal muscle mass and function that occur with aging. The old individuals had an impaired ability (increased time) ( P < 0.05) to climb stairs (80%), rise from a chair (56%), and walk (44%), as well as lower ( P < 0.05) quadriceps muscle volume (−29%), muscle strength (−35%), muscle power (−48%), and strength (−17%) and power (−33%) normalized to muscle size. Vastus lateralis muscle biopsies revealed that intramuscular endomysial collagen (young: 9.6 ± 1.1, old: 10.2 ± 1.2 μg/mg muscle wet wt) and collagen cross-linking (hydroxylysylpyridinoline) (young: 395 ± 65, old: 351 ± 45 mmol hydroxylysylpyridinoline/mol collagen) were unchanged ( P > 0.05) with aging. The advanced glycation end product, pentosidine, was increased ( P < 0.05) by ∼200% (young: 5.2 ± 1.3, old: 15.9 ± 4.5 mmol pentosidine/mol collagen) with aging. While myofibrillar protein concentration was lower (−5%, P < 0.05), the concentration of the main contractile proteins myosin and actin were unchanged ( P > 0.05) with aging. These data suggest that the synthesis and degradation of proteins responsible for the generation (myosin and actin) and transfer (collagen and pyridinoline cross-links) of muscle force are tightly regulated in aging muscle. Glycation-related cross-linking of intramuscular connective tissue may contribute to altered muscle force transmission and muscle function with healthy 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.

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.

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.