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 Respiratory viral infections with SARS-CoV-2 or influenza viruses commonly induce a strong infiltration of immune cells into the lung, with potential detrimental effects on the integrity of the lung tissue. Despite comprising the largest fractions of circulating lymphocytes in the lung, little is known about how blood natural killer (NK) cells and T cell subsets are equipped for lung-homing in COVID-19 and influenza. Using 28-colour flow cytometry and re-analysis of published RNA-seq datasets, we provide a detailed comparative analysis of NK cells and T cells in peripheral blood from moderately sick COVID-19 and influenza patients, focusing on the expression of chemokine receptors known to be involved in leukocyte recruitment to the lung. The results reveal a predominant role for CXCR3, CXCR6, and CCR5 in COVID-19 and influenza patients, mirrored by scRNA-seq signatures in peripheral blood and bronchoalveolar lavage from publicly available datasets. NK cells and T cells expressing lung-homing receptors displayed stronger phenotypic signs of activation as compared to cells lacking lung-homing receptors, and activation was overall stronger in influenza as compared to COVID-19. Together, our results indicate migration of functionally competent CXCR3 + , CXCR6 + , and/or CCR5 + NK cells and T cells to the lungs in moderate COVID-19 and influenza patients, identifying potential common targets for future therapeutic interventions in respiratory viral infections. Author summary The composition of in particular CXCR3 + and/or CXCR6 + NK cells and T cells is altered in peripheral blood upon infection with SARS-CoV-2 or influenza virus in patients with moderate disease. Lung-homing receptor-expression is biased towards phenotypically activated NK cells and T cells, suggesting a functional role for these cells co-expressing in particular CXCR3 and/or CXCR6 upon homing towards the lung.

Inflammation drives many age-related, especially neurological, diseases, and likely mediates age-related proteotoxicity. For example, dementia due to Alzheimer's Disease (AD), cerebral vascular disease, many other neurodegenerative conditions is increasingly among the most devastating burdens on the American (and world) health system and threatens to bankrupt the American health system as the population ages unless effective treatments are developed. Dementia due to either AD or cerebral vascular disease, and plausibly many other neurodegenerative and even psychiatric conditions, is driven by increased age-related inflammation, which in turn appears to mediate Abeta and related proteotoxic processes. The functional significance of inflammation during aging is also supported by the fact that Humira, which is simply an antibody to the pro-inflammatory cytokine TNF-a, is the best-selling drug in the world by revenue. These observations led us to develop parallel high-throughput screens to discover small molecules which inhibit age-related Abeta proteotoxicity in a C. elegans model of AD AND LPS-induced microglial TNF-a. In the initial screen of 2560 compounds (Microsource Spectrum library) to delay Abeta proteotoxicity, the most protective compounds were, in order, phenylbutyrate, methicillin, and quetiapine, which belong to drug classes (HDAC inhibitors, beta lactam antibiotics, and tricyclic antipsychotics, respectably) already robustly implicated as promising to protect in neurodegenerative diseases, especially AD. RNAi and chemical screens indicated that the protective effects of HDAC inhibitors to reduce Abeta proteotoxicity are mediated by inhibition of HDAC2, also implicated in human AD, dependent on the HAT Creb binding protein (Cbp), which is also required for the protective effects of both dietary restriction and the daf-2 mutation (inactivation of IGF-1 signaling) during aging. In addition to methicillin, several other beta lactam antibiotics also delayed Abeta proteotoxicity and reduced microglial TNF-a. In addition to quetiapine, several other tricyclic antipsychotic drugs also delayed age-related Abeta proteotoxicity and increased microglial TNF-a, leading to the synthesis of a novel congener, GM310, which delays Abeta as well as Huntingtin proteotoxicity, inhibits LPS-induced mouse and human microglial and monocyte TNF-a, is highly concentrated in brain after oral delivery with no apparent toxicity, increases lifespan, and produces molecular responses highly similar to those produced by dietary restriction, including induction of Cbp inhibition of inhibitors of Cbp, and genes promoting a shift away from glycolysis and toward metabolism of alternate (e.g., lipid) substrates. GM310, as well as FDA-approved tricyclic congeners, prevented functional impairments and associated increase in TNF-a in a mouse model of stroke. Robust reduction of glycolysis by GM310 was functionally corroborated by flux analysis, and the glycolytic inhibitor 2-DG inhibited microglial TNF-a and other markers of inflammation, delayed Abeta proteotoxicity, and increased lifespan. These results support the value of phenotypic screens to discover drugs to treat age-related, especially neurological and even psychiatric diseases, including AD and stroke, and to clarify novel mechanisms driving neurodegeneration (e.g., increased microglial glycolysis drives neuroinflammation and subsequent neurotoxicity) suggesting novel treatments (selective inhibitors of microglial glycolysis).

Variations in DNA methylation patterns in human tissues have been linked to various environmental exposures and infections. Here, we identified the DNA methylation signatures associated with multiple exposures in nine major immune cell types derived from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) at single-cell resolution. We performed methylome sequencing on 111,180 immune cells obtained from 112 individuals who were exposed to different viruses, bacteria, or chemicals. Our analysis revealed 790,662 differentially methylated regions (DMRs) associated with these exposures, which are mostly individual CpG sites. Additionally, we integrated methylation and ATAC-seq data from same samples and found strong correlations between the two modalities. However, the epigenomic remodeling in these two modalities are complementary. Finally, we identified the minimum set of DMRs that can predict exposures. Overall, our study provides the first comprehensive dataset of single immune cell methylation profiles, along with unique methylation biomarkers for various biological and chemical exposures.