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.

SUMMARY Cellular circadian clocks direct a daily transcriptional program that supports homeostasis and resilience. Emerging evidence supports age-associated changes in circadian functions. To define age-dependent changes at the systems level, we profiled the circadian transcriptome in the hypothalamus, lung, heart, kidney, skeletal muscle, and adrenal gland in 3 age groups. We found age-dependent and tissue-specific clock output changes. Aging reduced the number of rhythmically expressed genes (REGs), indicative of weakened circadian control. Many genes gained rhythmicity in old tissues, reflecting an adaptive response. REGs were enriched for the hallmarks of aging, adding a new dimension to our understanding of aging. Differential gene expression analysis found that there were temporally distinct clusters of genes in tissue-specific manner. Increased daily gene expression variability is a common feature of aged tissues. This novel analysis extends the landscape of the understanding of aging and highlights the impact of aging on circadian clock function and temporal changes in gene expression. HIGHLIGHTS - Rhythmically expressed genes (REGs) in Young, but not Old mice, are enriched for the aging hallmarks across all tissues. - The numbers of REGs decline across all tissues with age implicating the circadian clock in altered homeostasis. - Age- and tissue-specific differentially expressed genes (DEGs) cluster at specific times of the day. - Increase in gene expression variability over a day is a common feature of aging tissues.

Abstract Sleep loss has emerged as a risk factor for the development of impaired glucose tolerance. The mechanisms underpinning this observation are unknown; however, both mitochondrial dysfunction and circadian misalignment have been proposed. Given that exercise improves glucose tolerance, mitochondrial function, and alters circadian rhythms, we investigated whether exercise may counteract the effects induced by inadequate sleep. We report that sleeping 4 hours per night, for five nights, reduced glucose tolerance, with novel observations of associated reductions in mitochondrial function, sarcoplasmic protein synthesis, and measures of circadian rhythmicity; however, incorporating three sessions of high-intensity interval exercise (HIIE) during this period mitigates these effects. These data demonstrate, for the first time, a sleep loss-induced concomitant reduction in a range of physiological processes linked to metabolic function. These same effects are not observed when exercise is performed during a period of inadequate sleep, supporting the use of HIIE as an intervention to mitigate the detrimental physiological effects of sleep loss.

Abstract Circadian clocks are 24-hour endogenous oscillators in physiological and behavioral processes. Though recent transcriptomic studies have been successful in revealing the circadian rhythmicity in gene expression, the power calculation for omics circadian analysis have not been fully explored. In this paper, we develop a statistical method, namely CircaPower, to perform power calculation for circadian pattern detection. Our theoretical framework is determined by three key factors in circadian gene detection: sample size, intrinsic effect size and sampling design. Via simulations, we systematically investigate the impact of these key factors on circadian power calculation. We not only demonstrate that CircaPower is fast and accurate, but also show its underlying cosinor model is robust against variety of violations of model assumptions. In real applications, we demonstrate the performance of CircaPower using mouse pan-tissue data and human post-mortem brain data, and illustrate how to perform circadian power calculation using mouse skeleton muscle RNA-Seq pilot as case study. Our method CircaPower has been implemented in an R package, which is made publicly available on GitHub ( https://github.com/circaPower/circaPower ).

Abstract Circadian analysis via transcriptomic data has been successful in revealing the clock output changes underlying many diseases and physiological processes. Repeated measurement design in a circadian study is prevalent, in which the same subject is repeatedly measured over time. Several methods are currently available to perform circadian analysis, however, none of them take advantage of the repeated measurement design. And ignoring the within-subject correlation from the repeated measurement could result in lower statistical power. To address this issue, we developed linear mixed model based methods to detect (i) circadian rhythmicity (i.e., Rpt_rhythmicity) and (ii) differential circadian patterns comparing two experimental conditions (i.e., Rpt_diff). Our model includes a subject-specific random effect, which will account for the within-subject correlation. Via simulations, we showed our method not only could control the type I error rate around the nominal level, but also achieve higher statistical power compared to other methods that cannot model repeated measurement. The superior performance of Rpt_rhythmicity and Rpt_diff were also demonstrated in two real data applications, including a human restricted feeding data and a human sleep restriction data. An R package for our methods is publicly available on GitHub to promote the application of our methods.

Abstract Circadian rhythms are maintained by a cell autonomous, transcriptional-translational feedback loop known as the molecular clock. While previous research suggests a role of the molecular clock in regulating skeletal muscle structure and function, no mechanisms have connected the molecular clock to sarcomere filaments. Utilizing inducible, skeletal muscle specific, Bmal1 knockout (iMS Bmal1 -/- ) mice, we showed that knocking out skeletal muscle clock function alters titin isoform expression using RNAseq, LC-MS, and SDS-VAGE. This alteration in titin’s spring length resulted in sarcomere length heterogeneity. We demonstrate the direct link between altered titin splicing and sarcomere length in vitro using U7 snRNPs that truncate the region of titin altered in iMS Bmal1 -/- muscle. We identified a mechanism whereby the skeletal muscle clock regulates titin isoform expression through transcriptional regulation of Rbm20 , a potent splicing regulator of titin. Lastly, we used an environmental model of circadian rhythm disruption and identified significant down-regulation of Rbm20 expression. Our findings demonstrate the importance of the skeletal muscle circadian clock in maintaining titin isoform through regulation of RBM20 expression. Because circadian rhythm disruption is a feature of many chronic diseases, our results highlight a novel pathway that could be targeted to maintain skeletal muscle structure and function in a range of pathologies.

Abstract It has been well established that cardiovascular diseases exhibit significant differences between sexes in both preclinical models and humans. In addition, there is growing recognition that disrupted circadian rhythms can contribute to the onset and progression of cardiovascular diseases. However little is known about sex differences between the cardiac circadian clock and circadian transcriptomes in mice. Here, we show that the the core clock genes are expressed in common in both sexes but the circadian transcriptome of the mouse heart is very sex-specific. Hearts from female mice expressed significantly more rhythmically expressed genes (REGs) than male hearts and the temporal pattern of REGs was distinctly different between sexes. We next used a cardiomyocyte-specific knock out of the core clock gene, Bmal1 , to investigate its role in sex-specific gene expression in the heart. All sex differences in the circadian transcriptomes were significantly diminished with cardiomyocyte-specific loss of Bmal1 . Surprisingly, loss of cardiomyocyte Bmal1 also resulted in a roughly 8-fold reduction in the number of all the differentially expressed genes between male and female hearts. We conclude that cardiomyocyte-specific Bmal1 , and potentially the core clock mechanism, is vital in conferring sex-specific gene expression in the adult mouse heart.

Abstract The sarcomere is the fundamental contractile unit in skeletal muscle, and the maintenance of its structure is critical for its function. While alterations in sarcomere structure are implicated in many clinical conditions of muscle weakness this area has made limited progress due, in part, to limitations in the ability to robustly detect and measure at sub-sarcomere resolution. Classically the field has relied on approaches including confocal and electron microscopy, but there are technique-specific limitations with respect to resolution, tissue morphology, and protein specific labeling. In this study, our goal was to establish a robust and reproducible method to probe sub-sarcomere protein localization in longitudinal muscle sections. We optimized several steps from tissue preparation to antibody selection and imaging to provide the ability to quantitatively assess spatial distribution of proteins within a single sarcomere. This includes 1) in situ fixation for structural integrity, 2) use of multiple same host-species primary antibodies with Fab fragment antibody blocking to maintain specificity, and 3) the use of super-resolution structured illumination microscopy (SIM) to improve from confocal, along with use of emergent VHH secondary nanobodies to double the resolution. The combination of these methods provides a unique approach to improve visualization of sarcomere structure while simultaneously providing the ability to rigorously probe protein localization. While this study focused on assessment of skeletal muscle structure and provides an important set of tools for analysis of skeletal muscle health in disease and aging, we suggest the methods herein may prove advantageous for research outside of skeletal muscle.

Transcription factors (TFs) play a key role in regulating gene expression and responses to stimuli. We conducted an integrated analysis of chromatin accessibility, DNA methylation, and RNA expression across eight rat tissues following endurance exercise training (EET) to map epigenomic changes to transcriptional changes and determine key TFs involved. We uncovered tissue-specific changes and TF motif enrichment across all omic layers, differentially accessible regions (DARs), differentially methylated regions (DMRs), and differentially expressed genes (DEGs). We discovered distinct routes of EET-induced regulation through either epigenomic alterations providing better access for TFs to affect target genes, or via changes in TF expression or activity enabling target gene response. We identified TF motifs enriched among correlated epigenomic and transcriptomic alterations, DEGs correlated with exercise-related phenotypic changes, and EET-induced activity changes of TFs enriched for DEGs among their gene targets. This analysis elucidates the unique transcriptional regulatory mechanisms mediating diverse organ effects of EET.

Time-of-day differences in acute exercise performance in mice are well established with late active phase (afternoon) runners exhibiting significantly greater endurance performance compared to early active phase (morning) runners. In this study, we asked if performance adaptations would be different when training for 6 weeks at two different times of day, and if this corresponds to steady state changes in the phase of peripheral tissue clocks. To address these questions, we endurance trained female PER2::Luciferase mice, at the same relative workload, either in the morning, at ZT13, or in the afternoon, at ZT22. Then, after training, we recorded luminescence from tissues of PER2::Luciferase mice to report timing of tissue clocks in several peripheral tissues. After 6 weeks, we found that both groups exhibited significant improvements in maximal endurance capacity (total treadmill work)(p < 0.0001), but the morning runners exhibited an enhanced rate of adaptation as there was no detectable difference in maximal endurance capacity (p = 0.2182) between the morning and afternoon runners. In addition, morning and afternoon runners exhibited divergent clock phase shifts with a significant 5-hour phase advance in the EDL (p < 0.0001) and soleus (p < 0.0001) of morning runners, but a phase delay in the EDL (p < 0.0001) and soleus (p < 0.0001) of afternoon runners. Therefore, our data demonstrate that morning training enhances endurance adaptations compared to afternoon training in mice, and we suggest this is due to phase advancement of muscle clocks to better align metabolism with exercise performance.