Skeletal muscle atrophy is a debilitating response to fasting, disuse, cancer, and other systemic diseases. In atrophying muscles, the ubiquitin ligase, atrogin-1 (MAFbx), is dramatically induced, and this response is necessary for rapid atrophy. Here, we show that in cultured myotubes undergoing atrophy, the activity of the PI3K/AKT pathway decreases, leading to activation of Foxo transcription factors and atrogin-1 induction. IGF-1 treatment or AKT overexpression inhibits Foxo and atrogin-1 expression. Moreover, constitutively active Foxo3 acts on the atrogin-1 promoter to cause atrogin-1 transcription and dramatic atrophy of myotubes and muscle fibers. When Foxo activation is blocked by a dominant-negative construct in myotubes or by RNAi in mouse muscles in vivo, atrogin-1 induction during starvation and atrophy of myotubes induced by glucocorticoids are prevented. Thus, forkhead factor(s) play a critical role in the development of muscle atrophy, and inhibition of Foxo factors is an attractive approach to combat muscle wasting.

Reagents that inhibit the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway in cells have not been available. Peptide aldehydes that inhibit major peptidase activities of the 20S and 26S proteasomes are shown to reduce the degradation of protein and ubiquitinated protein substrates by 26S particles. Unlike inhibitors of lysosomal proteolysis, these compounds inhibit the degradation of not only abnormal and short-lived polypeptides but also long-lived proteins in intact cells. We used these agents to test the importance of the proteasome in antigen presentation. When ovalbumin is introduced into the cytosol of lymphoblasts, these inhibitors block the presentation on MHC class I molecules of an ovalbumin-derived peptide by preventing its proteolytic generation. By preventing peptide production from cell proteins, these inhibitors block the assembly of class I molecules. Therefore, the proteasome catalyzes the degradation of the vast majority of cell proteins and generates most peptides presented on MHC class I molecules.

Autophagy allows cell survival during starvation through the bulk degradation of proteins and organelles by lysosomal enzymes. However, the mechanisms responsible for the induction and regulation of the autophagy program are poorly understood. Here we show that the FoxO3 transcription factor, which plays a critical role in muscle atrophy, is necessary and sufficient for the induction of autophagy in skeletal muscle in vivo. Akt/PKB activation blocks FoxO3 activation and autophagy, and this effect is not prevented by rapamycin. FoxO3 controls the transcription of autophagy-related genes, including LC3 and Bnip3, and Bnip3 appears to mediate the effect of FoxO3 on autophagy. This effect is not prevented by proteasome inhibitors. Thus, FoxO3 controls the two major systems of protein breakdown in skeletal muscle, the ubiquitin-proteasomal and autophagic/lysosomal pathways, independently. These findings point to FoxO3 and Bnip3 as potential therapeutic targets in muscle wasting disorders and other degenerative and neoplastic diseases in which autophagy is involved.

Muscle wasting is a debilitating consequence of fasting, inactivity, cancer, and other systemic diseases that results primarily from accelerated protein degradation by the ubiquitin-proteasome pathway. To identify key factors in this process, we have used cDNA microarrays to compare normal and atrophying muscles and found a unique gene fragment that is induced more than ninefold in muscles of fasted mice. We cloned this gene, which is expressed specifically in striated muscles. Because this mRNA also markedly increases in muscles atrophying because of diabetes, cancer, and renal failure, we named it atrogin-1. It contains a functional F-box domain that binds to Skp1 and thereby to Roc1 and Cul1, the other components of SCF-type Ub-protein ligases (E3s), as well as a nuclear localization sequence and PDZ-binding domain. On fasting, atrogin-1 mRNA levels increase specifically in skeletal muscle and before atrophy occurs. Atrogin-1 is one of the few examples of an F-box protein or Ub-protein ligase (E3) expressed in a tissue-specific manner and appears to be a critical component in the enhanced proteolysis leading to muscle atrophy in diverse diseases.

Skeletal muscle atrophy is a debilitating response to starvation and many systemic diseases including diabetes, cancer, and renal failure. We had proposed that a common set of transcriptional adaptations underlie the loss of muscle mass in these different states. To test this hypothesis, we used cDNA microarrays to compare the changes in content of specific mRNAs in muscles atrophying from different causes. We compared muscles from fasted mice, from rats with cancer cachexia, streptozotocin-induced diabetes mellitus, uremia induced by subtotal nephrectomy, and from pair-fed control rats. Although the content of >90% of mRNAs did not change, including those for the myofibrillar apparatus, we found a common set of genes (termed atrogins) that were induced or suppressed in muscles in these four catabolic states. Among the strongly induced genes were many involved in protein degradation, including polyubiquitins, Ub fusion proteins, the Ub ligases atrogin-1/MAFbx and MuRF-1, multiple but not all subunits of the 20S proteasome and its 19S regulator, and cathepsin L. Many genes required for ATP production and late steps in glycolysis were down-regulated, as were many transcripts for extracellular matrix proteins. Some genes not previously implicated in muscle atrophy were dramatically up-regulated (lipin, metallothionein, AMP deaminase, RNA helicase-related protein, TG interacting factor) and several growth-related mRNAs were down-regulated (P311, JUN, IGF-1-BP5). Thus, different types of muscle atrophy share a common transcriptional program that is activated in many systemic diseases.

Muscle atrophy occurs in many pathological states and results primarily from accelerated protein degradation and activation of the ubiquitin-proteasome pathway. However, the importance of lysosomes in muscle atrophy has received little attention. Activation of FoxO transcription factors is essential for the atrophy induced by denervation or fasting, and activated FoxO3 by itself causes marked atrophy of muscles and myotubes. Here, we report that FoxO3 does so by stimulating overall protein degradation and coordinately activating both lysosomal and proteasomal pathways. Surprisingly, in C2C12 myotubes, most of this increased proteolysis is mediated by lysosomes. Activated FoxO3 stimulates lysosomal proteolysis in muscle (and other cell types) by activating autophagy. FoxO3 also induces the expression of many autophagy-related genes, which are induced similarly in mouse muscles atrophying due to denervation or fasting. These studies indicate that decreased IGF-1-PI3K-Akt signaling activates autophagy not only through mTOR but also more slowly by a transcription-dependent mechanism involving FoxO3.

A simple method is described for measuring rates of protein synthesis and degradation in isolated rat diaphragm. Muscles incubated in Krebs-Ringer bicarbonate buffer showed a linear rate of synthesis for 3 hours. At the same time, the muscle released tyrosine and ninhydrin-positive material, primarily amino acids, at a linear rate. This release was not a nonspecific leakage of material from the intracellular pools, but reflected net protein degradation. Tyrosine was chosen for studies of protein turnover, since it rapidly equilibrates between intracellular pools and the medium, it can be measured fluorometrically, and it is neither synthesized nor degraded by this tissue. To follow protein degradation independently of synthesis, muscles were incubated in the presence of cycloheximide. Under these conditions, the amount of tyrosine in the intracellular pools was constant, while the muscle released tyrosine at a linear rate. This tyrosine release was used as a measure of degradation. This preparation was used to study the influence of various factors known to be important for muscle growth on protein synthesis and degradation. Similar effects were obtained with diaphragms of normal and fasted rats although the latter showed decreased synthesis and increased protein degradation. Insulin by itself not only stimulated synthesis but also inhibited protein degradation (even in the presence of cycloheximide). These two effects served to reduce the net release of tyrosine from muscle protein to comparable extents. Effects of insulin on synthesis and degradation were greater when glucose was also present in the medium. Glucose by itself inhibited protein degradation but in the absence of insulin glucose had no significant effect on synthesis. Nevertheless, glucose stimulated incorporation of radioactivive tyrosine into protein, but this effect was due to an increased intracellular specific activity. Unlike glucose neither beta-hydroxybutyrate or octanoic acid had any demonstrable effects on protein degradion. The addition of amino acids at plasma concentrations both promoted protein synthesis and inhibited degradation in the diaphragm. Five times normal plasma concentrations of the amino acids had larger effects. The three branched chain amino acids together stimulated synthesis and reduced degradation, while the remaining plasma amino acids did not affect either process significantly. Thus leucine, isoleucine, and valine appear responsible for the effects of plasma amino or isoleucine and valine together, also were able to inhibit protein degradation and promote synthesis.

Maintaining muscle size and fiber composition requires contractile activity. Increased activity stimulates expression of the transcriptional coactivator PGC-1alpha (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1alpha), which promotes fiber-type switching from glycolytic toward more oxidative fibers. In response to disuse or denervation, but also in fasting and many systemic diseases, muscles undergo marked atrophy through a common set of transcriptional changes. FoxO family transcription factors play a critical role in this loss of cell protein, and when activated, FoxO3 causes expression of the atrophy-related ubiquitin ligases atrogin-1 and MuRF-1 and profound loss of muscle mass. To understand how exercise might retard muscle atrophy, we investigated the possible interplay between PGC-1alpha and the FoxO family in regulation of muscle size. Rodent muscles showed a large decrease in PGC-1alpha mRNA during atrophy induced by denervation as well as by cancer cachexia, diabetes, and renal failure. Furthermore, in transgenic mice overexpressing PGC-1alpha, denervation and fasting caused a much smaller decrease in muscle fiber diameter and a smaller induction of atrogin-1 and MuRF-1 than in control mice. Increased expression of PGC-1alpha also increased mRNA for several genes involved in energy metabolism whose expression decreases during atrophy. Transfection of PGC-1alpha into adult fibers reduced the capacity of FoxO3 to cause fiber atrophy and to bind to and transcribe from the atrogin-1 promoter. Thus, the high levels of PGC-1alpha in dark and exercising muscles can explain their resistance to atrophy, and the rapid fall in PGC-1alpha during atrophy should enhance the FoxO-dependent loss of muscle mass.

Heat shock protein (hsp) genes, a group of ubiquitous genes, are activated by various metabolic stresses. The suggestion that denaturation of intracellular proteins may be produced by the metabolic stresses and then signal the activation of the hsp genes was examined by co-injection of purified proteins and hsp genes into frog oocytes. Activation of hsp genes was observed if the proteins were denatured prior to injection but not if they were introduced in their native form. Furthermore, the activation of hsp genes by abnormal proteins and by heat shock appears to occur by a common mechanism. A model for the transcriptional regulation of the genes is based on competition for degradation between abnormal intracellular proteins and a labile regulatory factor.

The molecular components of the quality control system that rapidly degrades abnormal membrane and secretory proteins have not been identified. The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is an integral membrane protein to which this quality control is stringently applied; approximately 75% of the wild-type precursor and 100% of the delta F508 CFTR variant found in most CF patients are rapidly degraded before exiting from the ER. We now show that this ER degradation is sensitive to inhibitors of the cytosolic proteasome, including lactacystin and certain peptide aldehydes. One of the latter compounds, MG-132, also completely blocks the ATP-dependent conversion of the wild-type precursor to the native folded form that enables escape from degradation. Hence, CFTR and presumably other intrinsic membrane proteins are substrates for proteasomal degradation during their maturation within the ER.