Introduction: Metabolomics studies of recreational and elite athletes have been so far limited to venipuncture-dependent blood sample collection in the setting of controlled training and medical facilities. However, limited to no information is currently available if findings in laboratory settings are translatable to real world scenario in elite competitions. Methods: To characterize molecular profiles of exertion in elite athletes during cycling, we performed metabolomics analyses on blood isolated from twenty-eight international-level elite World Tour professional male athletes from a Union Cycliste Internationale (UCI) World Team taken before and after a graded exercise test (GXT) to volitional exhaustion and before and after a long aerobic training session. Moreover, established signatures were then used to characterize the metabolic physiology of five of these cyclists that were selected to represent the same UCI World Team during a 7-stage elite World Tour race. Results: Using dried blood spot collection to circumvent logistical hurdles associated with field sampling, these studies defined metabolite signatures and fold change ranges of anaerobic or aerobic exertion in elite cyclists, respectively. Blood signatures derived in controlled settings enabled comparison with blood sampled during competition, thus providing insight into fatigue status of the cyclists during the course of the race. Collectively, these studies provide a unique view of alterations in the blood metabolome of elite athletes during competition and at the peak of their performance capabilities.

The Warburg Effect is characterized by accelerated glycolytic metabolism and lactate production and under fully aerobic conditions is a hallmark of cancer cells. Recently, we have demonstrated the role of endogenous, glucose-derived lactate as an oncometabolite which regulates gene expression in the estrogen receptor positive (ER+) MCF7 cell line cultivated in glucose media. Presently, with the addition of a triple negative breast cancer (TNBC) cell line, MDA-MB-231, we further confirm the effect of lactate on gene expression patterns and extend results to include lactate effects on protein expression. As well, we report effects of lactate on the expression of E-cadherin and vimentin, proteins associated with epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Endogenous lactate regulates the expression of multiple genes involved in carcinogenesis. In MCF7 cells, lactate increased the expression of EGFR, VEGF, HIF-1a, KRAS, MIF, mTOR, PIK3CA, TP53, and CDK4 as well as decreased the expression of ATM, BRCA1, BRCA2, E2F1, MET, MYC, and RAF mainly after 48h of exposure. On the other hand, in the MDA-MB-231 cell line, lactate increased the expressions of PIK3CA, VEGF, EGFR, mTOR, HIF-1α, ATM, E2F1, TP53 and decreased the expressions of BRCA1, BRCA2, CDK4, CDK6, MET, MIF, MYC, and RAF after 48h of exposure. In response to endogenous lactate, changes in protein ex-pression of representative genes corroborated changes in mRNA expressions. Finally, lactate exposure decreased E-cadherin protein expression in MCF7 cells and increased vimentin expression in MDA-MB-231 cells. Furthermore, by genetically silencing LDHA in MCF7 cells, we show suppression of protein expression of EGFR and HIF-1α, while full protein expression occurred under glucose and glucose + exogenous lactate exposure. Hence, endogenous, glucose-derived lactate, and not glucose, elicited changes in gene and protein expression levels. In this study, we demonstrate that endogenous lactate produced under aerobic conditions (Warburg Effect) elicits important changes in gene and protein expression in both ER+ and TNBC cell lines. The widespread regulation of multiple genes by lactate and involves those involved in carcinogenesis including DNA repair, cell growth, prolif-eration, angiogenesis, and metastasis. Furthermore, lactate affected the expression of two relevant EMT biomarkers, E-cadherin and vimentin, which could contribute to the complex process of EMT and a shift towards a more mesenchymal phenotype in the two cancer cell lines studied.

Lack of physical activity has been associated with multiple diseases including cardiovascular disease (CVD), cancer, Alzheimers disease (AD), type 2 diabetes (T2D), Parkinsons disease, depression, dementia and even cancer. Mitochondrial impairment or dysfunction is associated with lack of physical activity and considered to be involved in the pathogenesis of the most prevalent non-communicable diseases (NCDs) afflicting our societies such as T2D, CVD, metabolic syndrome, and even AD. To our knowledge, there is a scarcity of studies on the metabolic, mitochondrial and cellular characteristics of healthy sedentary individuals living without clinical symptoms. Hence, the main aim of our study herein was to characterize multiple metabolic, mitochondrial and cellular bioenergetic signatures in healthy sedentary individuals which could already be downregulated compared to moderately active individuals. Nineteen subjects, 9 sedentary (SED) and 10 moderately active (AC) volunteered for multiple assessments including muscle biopsies, in order to assess muscle metabolism, mitochondrial respiration and bioenergetics both at rest and during exercise. For our exercise studies, we performed graded exercise testing (GXT) to assess carbohydrate and fat oxidation capacity as well as lactate clearance capacity according to our previously developed methodology. Resting studies showed decreased mitochondrial respiration including decreases in complex I (-36%) and II (-28%) as well as total electron system capacity (-34%) and electron system capacity coupled to ATP production via ATP synthase (-30%). Regarding muscle carbohydrate metabolism, SED individuals showed a decrease in mitochondrial pyruvate oxidation (-37%) as well as reduced expression (-49%) of mitochondrial pyruvate carrier (MPC). Regarding fatty acid metabolism, SED showed decreased activity of carnitine palmitoyltransferase I (CPT1)(-51%) and CPT2 (-44%) as well as decreased mitochondrial fatty acid oxidation (-35%). Metabolomics analysis also confirmed downregulation of carbohydrate and fat metabolism. Partial Least-Squares Discriminant Analysis (PLS-DA) identified distinct metabolic phenotypes through intermediates of glycolysis and fatty acid oxidation. Further, we found significant differences in cardiolipin (CL) species expression between SED and AC groups, which, due to the important role of CL in mitochondrial structure, function, biogenesis and bioenergetics, deserves further attention. Exercise studies also showed significant differences in substrate utilization between groups where SED possessed a significantly lower fat oxidation capacity as well as lactate clearance capacity. The correlation of different bioenergetic parameters between resting and exercise conditions were robust, suggesting the possibility of performing cardiopulmonary exercise testing (CPET) as a non-invasive methodology to indirectly assess metabolic function in multiple populations. In summary, in our study herein, we show that healthy sedentary individuals already possess a significant decrease in cellular metabolism, mitochondrial respiration and bioenergetics compared to moderately active individuals both during resting and exercising conditions. Since large numbers of sedentary individuals evolve to develop cardiometabolic disease, a better understanding of decreased cellular bioenergetics and mitochondrial function is needed in order to improve both diagnosis and treatment of multiple metabolic diseases.