ObjectiveIn mouse, PGC1-α overexpression in muscle stimulates an increase in expression of FNDC5, a membrane protein that is cleaved and secreted as a newly identified hormone, irisin. One prior study has shown that FNDC5 induces browning of subcutaneous fat in mice and mediates beneficial effects of exercise on metabolism, but a more recent study using gene expression arrays failed to detect a robust increase in FNDC5 mRNA in human muscles from exercising subjects. No prior study has reported on the physiological regulation and role of circulating irisin and FNDC5 in humans.Materials/MethodsA. FNDC5 gene expression studies: We first examined tissue distribution of FNDC5 in humans. B. Cross-sectional studies: Predictors of FNDC5 mRNA expression levels were examined in muscle tissues from 18 healthy subjects with a wide range of BMI. Assays were optimized to measure circulating FNDC5 and irisin levels, and their associations with anthropometric and metabolic parameters were analyzed in two cross-sectional studies that examined 117 middle-aged healthy women and 14 obese subjects, respectively. C. Interventional studies: The effect of weight loss on FNDC5 mRNA and/or circulating irisin levels was examined in 14 obese subjects before and after bariatric surgery. The effect of acute and chronic exercise was then assessed in 15 young healthy adults who performed intermittent sprint running sessions over an 8 week period.ResultsTissue arrays demonstrated that in humans, the FNDC5 gene is predominantly expressed in muscle. Circulating irisin was detected in the serum or plasma of all subjects studied, whereas circulating FNDC5 was detected in only a distinct minority of the subjects. Cross-sectional studies revealed that circulating irisin levels were positively correlated with biceps circumference (used as a surrogate marker of muscle mass herein), BMI, glucose, ghrelin, and IGF-1. In contrast, irisin levels were negatively correlated with age, insulin, cholesterol, and adiponectin levels, indicating a possible compensatory role of irisin in metabolic regulation. Multivariate regression analysis revealed that biceps circumference was the strongest predictor of circulating irisin levels underlying the association between irisin and metabolic factors in humans at baseline. Both muscle FNDC5 mRNA levels and circulating irisin levels were significantly downregulated 6 months after bariatric surgery. Circulating irisin levels were significantly upregulated 30 min after acute exercise and were correlated mainly with ATP levels and secondarily with metabolites related to glycolysis and lipolysis in muscle.ConclusionsSimilar to mice, the FNDC5 gene is expressed in human muscle. Age and muscle mass are the primary predictors of circulating irisin, with young male athletes having several fold higher irisin levels than middle-aged obese women. Circulating irisin levels increase in response to acute exercise whereas muscle FNDC5 mRNA and circulating irisin levels decrease after surgically induced weight loss in parallel to decrease in body mass. Further studies are needed to study the regulation of irisin levels and its physiological effects in humans and to elucidate the mechanisms underlying these effects.

Abstract Subcutaneous white adipose tissue (scWAT) is a dynamic storage and secretory organ that regulates systemic homeostasis, yet the impact of endurance exercise training and sex on its molecular landscape has not been fully established. Utilizing an integrative multi-omics approach with data generated by the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), we identified profound sexual dimorphism in the dynamic response of rat scWAT to endurance exercise training. Despite similar cardiorespiratory improvements, only male rats reduced whole-body adiposity, scWAT adipocyte size, and total scWAT triglyceride abundance with training. Multi-omic analyses of adipose tissue integrated with phenotypic measures identified sex-specific training responses including enrichment of mTOR signaling in females, while males displayed enhanced mitochondrial ribosome biogenesis and oxidative metabolism. Overall, this study reinforces our understanding that sex impacts scWAT biology and provides a rich resource to interrogate responses of scWAT to endurance training.

Abstract Regular physical exercise has long been recognized to reverse the effects of diet-induced obesity, but the molecular mechanisms mediating these multi-tissue beneficial effects remain uncharacterized. Here, we address this challenge by studying the opposing effects of exercise training and high-fat diet at single-cell, deconvolution and tissue-level resolutions across 3 metabolic tissues. We profile scRNA-seq in 204,883 cells, grouped into 53 distinct cell subtypes/states in 22 major cell types, from subcuta-neous and visceral white adipose tissue (WAT), and skeletal muscle (SkM) in mice with diet and exercise training interventions. With a great number of mesenchymal stem cells (MSCs) profiled, we compared depot-specific adipose stem cell (ASC) states, and defined 7 distinct fibro-adipogenic progenitor (FAP) states in SkM including discovering and validating a novel CD140+/CD34+/SCA1-FAP population. Exercise- and obesity-regulated proportion, transcriptional and cell-cell interaction changes were most strongly pronounced in and centered around ASCs, FAPs, macrophages and T-cells. These changes reflected thermogenesis-vs-lipogenesis and hyperplasia-vs-hypertrophy shifts, clustered in pathways including extracellular matrix remodeling and circadian rhythm, and implicated complex single- and multi-tissue communication including training-associated shift of a cytokine from binding to its decoy receptor on ASCs to true receptor on M2 macrophages in vWAT. Overall, our work provides new insights on the metabolic protective effects of exercise training, uncovers a previously-underappreciated role of MSCs in mediating tissue-specific and multi-tissue effects, and serves as a model for multitissue single-cell analyses in physiologically complex and multifactorial traits exemplified by obesity and exercise training.

ABSTRACT Inguinal white adipose tissue (iWAT) is essential for the beneficial effects of exercise training on metabolic health. Extracellular matrix (ECM) composition, innervation, and vascularization are all important regulators of iWAT function, yet whether exercise training improves these structural components of iWAT is unknown. Using biochemical, imaging, and multi-omics analyses we find that 11-days of wheel running in male mice causes profound iWAT remodeling including decreased ECM deposition and increased vascularization and innervation. We identify adipose stem cells as the main contributors to training-induced ECM remodeling, determine that training causes a shift from hypertrophic to insulin-sensitive adipocyte subpopulations, show that the PRDM16 transcriptional complex is necessary for iWAT remodeling and beiging, and discover neuronal growth regulator 1 (NEGR1) as a link between PRDM16 and neuritogenesis. Exercise training leads to remarkable adaptations to iWAT structure and cell-type composition that can confer beneficial changes in tissue metabolism. Graphical Abstract

Exercise training and cold exposure both improve systemic metabolism, but the mechanisms are not well-established. We tested the hypothesis that adaptations to inguinal white adipose tissue (iWAT) are critical for these beneficial effects by determining the impact of exercise-trained and cold-exposed iWAT on systemic glucose metabolism and the iWAT proteome and secretome. Transplanting trained iWAT into sedentary mice improved glucose tolerance, while cold-exposed iWAT transplantation showed no such benefit. Compared to training, cold led to more pronounced alterations in the iWAT proteome and secretome, downregulating >2,000 proteins but also boosting iWAT9s thermogenic capacity. In contrast, only training increased extracellular space and vesicle transport proteins, and only training upregulated proteins that correlate with favorable fasting glucose, suggesting fundamental changes in trained iWAT that mediate tissue-to-tissue communication. This study defines the unique exercise training- and cold exposure-induced iWAT proteomes, revealing distinct mechanisms for the beneficial effects of these interventions on metabolic health.

Exercise training and cold exposure are physiological stimuli that both improve systemic glucose metabolism, but the mechanisms are not well understood. Here, we tested the hypothesis that adaptations to inguinal white adipose tissue (iWAT) are critical for the beneficial effects of exercise-trained and cold-exposed iWAT on metabolism. First, we utilized an iWAT transplantation model. Male donor mice were sedentary, exercise trained by voluntary wheel running, or cold exposed (5°C) for 11 days (n=5/group). Transplanting iWAT from exercised into sedentary mice enhanced glucose tolerance, yet cold-exposed iWAT had no effect, suggesting unique adaptations to trained iWAT that confer beneficial effects on glucose homeostasis. To determine exercise-specific effects on iWAT, quantitative proteomic profiling (QPP) of iWAT was done from sedentary, trained, and cold-exposed mice. Cold down-regulated >2,000 proteins in iWAT, but also resulted in a protein signature of enhanced mitochondrial biogenesis, energy production, and fatty acid metabolism. Training also regulated protein expression, but interestingly only training-specific proteins (>50 proteins), and not cold proteins, were inversely correlated with fasting glucose. This suggests that training results in fundamental changes in iWAT that mediate systemic glucose homeostasis, consistent with the transplantation glucose tolerance data. Training also upregulated iWAT extracellular space and vesicle transport proteins. Consistent with this finding, isolation of adipocyte-derived EVs from sedentary and trained mice revealed a significant increase in EV release from trained adipocytes. In sum, exercise training facilitates the release of iWAT-derived molecules, fostering inter-tissue communication. We define the unique exercise training- and cold exposure-induced iWAT proteomes, revealing distinct mechanisms for the beneficial effects of these interventions on metabolic health. Disclosure M. Vamvini: None. P. Nigro: None. K.I. Stanford: None. M.F. Hirshman: None. R.J. Middelbeek: Research Support; Novo Nordisk. L. Goodyear: None. Funding This work was supported by NIH grant (R01DK099511, R01DK101043 (to L.J.G.)), (T32DK00726042, F32DK12643201) and Joslin DRC (P30 DK36836) Pilot and Feasibility Program award (to M.V.), K23DK114550 (to R.J.W.M), and the Joslin Diabetes Center DRC (P30 DK36836).