Significance Engineered cardiac muscle can be used to promote the structural and functional maturation of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs). However, previous studies have not yet produced cardiac tissues with metabolic and proliferative maturation. Here, we develop a 96-well screening platform and screen for cardiac maturation conditions in engineered cardiac muscle. We found that simulating the postnatal switch in metabolic substrates from carbohydrates to fatty acids promoted a switch in metabolism, DNA damage response, and cell cycle arrest in hPSC-CM. Our study shows that this mechanism can be harnessed to enhance the maturation of human hPSC-CM and cardiac tissues, which has major implications for stem cell sciences, drug discovery, and regenerative medicine.

Circulating proteins have important functions in inflammation and a broad range of diseases. To identify genetic influences on inflammation-related proteins, we conducted a genome-wide protein quantitative trait locus (pQTL) study of 91 plasma proteins measured using the Olink Target platform in 14,824 participants. We identified 180 pQTLs (59 cis, 121 trans). Integration of pQTL data with eQTL and disease genome-wide association studies provided insight into pathogenesis, implicating lymphotoxin-α in multiple sclerosis. Using Mendelian randomization (MR) to assess causality in disease etiology, we identified both shared and distinct effects of specific proteins across immune-mediated diseases, including directionally discordant effects of CD40 on risk of rheumatoid arthritis versus multiple sclerosis and inflammatory bowel disease. MR implicated CXCL5 in the etiology of ulcerative colitis (UC) and we show elevated gut CXCL5 transcript expression in patients with UC. These results identify targets of existing drugs and provide a powerful resource to facilitate future drug target prioritization.

Abstract The failure of metabolic tissues to appropriately respond to insulin (“insulin resistance”) is an early marker in the pathogenesis of type 2 diabetes. Protein phosphorylation is central to the adipocyte insulin response, but how adipocyte signaling networks are dysregulated upon insulin resistance is unknown. Here we employed phosphoproteomics to delineate insulin signal transduction in adipocyte cells and adipose tissue. Across a range of insults triggering insulin resistance, we observed marked rewiring of the insulin signaling network. This included both attenuated insulin-responsive phosphorylation, and the emergence of phosphorylation uniquely insulin-regulated in insulin resistance. Identifying signaling changes common to multiple insults revealed subnetworks likely containing causal drivers of insulin resistance. Focusing on defective GSK3 signaling initially observed in a relatively small subset of well-characterized substrates, we employed a pipeline for identifying context-specific kinase substrates. This facilitated robust identification of widespread dysregulated GSK3 signaling. Pharmacological inhibition of GSK3 partially reversed insulin resistance in cells and tissue explants. These data highlight that insulin resistance is a multi-nodal signaling defect that encompasses dysregulated GSK3 activity.

Abstract SARS-CoV-2 primarily infects the respiratory tract, but pulmonary and cardiac complications occur in severe COVID-19. To elucidate molecular mechanisms in the lung and heart, we conducted paired experiments in human stem cell-derived lung alveolar type II (AT2) epithelial cell and cardiac cultures infected with SARS-CoV-2. With CRISPR- Cas9 mediated knock-out of ACE2, we demonstrated that angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) was essential for SARS-CoV-2 infection of both cell types but further processing in lung cells required TMPRSS2 while cardiac cells required the endosomal pathway. Host responses were significantly different; transcriptome profiling and phosphoproteomics responses depended strongly on the cell type. We identified several antiviral compounds with distinct antiviral and toxicity profiles in lung AT2 and cardiac cells, highlighting the importance of using several relevant cell types for evaluation of antiviral drugs. Our data provide new insights into rational drug combinations for effective treatment of a virus that affects multiple organ systems. One-sentence summary Rational treatment strategies for SARS-CoV-2 derived from human PSC models

Type 2 diabetes is preceded by a defective insulin response, yet our knowledge of the precise mechanisms is incomplete. Here, we investigate how insulin resistance alters skeletal muscle signaling and how exercise partially counteracts this effect. We measured parallel phenotypes and phosphoproteomes of insulin-resistant (IR) and insulin-sensitive (IS) men as they responded to exercise and insulin (n = 19, 114 biopsies), quantifying over 12,000 phosphopeptides in each biopsy. Insulin resistance involves selective and time-dependent alterations to signaling, including reduced insulin-stimulated mTORC1 and non-canonical signaling responses. Prior exercise promotes insulin sensitivity even in IR individuals by "priming" a portion of insulin signaling prior to insulin infusion. This includes MINDY1 S441, which we show is an AKT substrate. We found that MINDY1 knockdown enhances insulin-stimulated glucose uptake in rat myotubes. This work delineates the signaling alterations in IR skeletal muscle and identifies MINDY1 as a regulator of insulin action.

Summary and graphical abstract Decline in mitochondrial function associates with decreased muscle mass and strength in multiple conditions, including sarcopenia and type 2 diabetes. Optimal treatment could include improving mitochondrial function, however, there are limited and equivocal data regarding the molecular cues controlling muscle mitochondrial plasticity. Here we uncover the mitochondrial-mRNA-stabilizing protein SLIRP, in complex with LRPPRC, as a PGC-1α target that regulates mitochondrial structure, respiration, and mitochondrially-encoded-mRNA pools in skeletal muscle. Exercise training effectively counteracted mitochondrial defects induced by loss of LRPPRC/SLIRP, despite sustained low mitochondrially-encoded-mRNA pools, via increased mitoribosome translation capacity. In humans, exercise training robustly increased muscle SLIRP and LRPPRC protein content across exercise modalities and sexes, yet this increase was less prominent in subjects with type 2 diabetes. Our work identifies a mechanism of post-transcriptional mitochondrial regulation in skeletal muscle through mitochondrial mRNA stabilization. It emphasizes exercise as an effective approach to alleviate mitochondrial defects by possibly increasing mitoribosome capacity. Abstract Figure