Abstract Exercise training elicits tremendous health benefits; however, the molecular underpinnings are poorly understood. As one of the most regulated groups of proteins following acute exercise in human muscle, Rho GTPases are unexplored candidates for mediating the beneficial effects of exercise. The Rho GTPase Rac1 was activated during multiple exercise modalities and remained elevated hours after resistance exercise in human muscle. Inducible muscle-specific Rac1 knockout (Rac1 imKO) mice, displayed attenuated muscle protein synthesis, glycogen resynthesis and p38 MAPK signaling in recovery from contractions. Exercise training upregulated Rac1 protein content in human and mouse muscle. Overexpression of hyperactive Rac1 elevated reactive oxidant species production during exercise yet did not induce a trained muscle phenotype. In Rac1 imKO mice, the improvements in running capacity and muscle mass after exercise training were diminished. Using gain- and loss-of-function mouse models and human muscle biopsies, we identify Rac1 as a regulator of exercise training adaptions. Highlights Various exercise modalities activate Rac1 signaling in human skeletal muscle. HSP27, MNK1, and CREB are Rac1-dependent contraction-responsive targets in muscle. Post-contraction protein synthesis requires Rac1 but not NOX2. Rac1-NOX2 signaling is necessary for post-contraction glycogen resynthesis. Exercise training increases Rac1 protein content in human and mouse muscles. Rac1 mediates critical adaptations to exercise training.

Arginine methylation is a protein post-translational modification important for the development of skeletal muscle mass and function. Despite this, our understanding of the regulation of arginine methylation under settings of health and disease remains largely undefined. Here, we investigated the regulation of arginine methylation in skeletal muscles in response to exercise and hypertrophic growth, and in diseases involving metabolic dysfunction and atrophy. We report a limited regulation of arginine methylation under physiological settings that promote muscle health, such as during growth and acute exercise, nor in disease models of insulin resistance. In contrast, we saw a significant remodeling of asymmetric dimethylation in models of atrophy characterized by the loss of innervation, including in muscle biopsies from patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Mass spectrometry-based quantification of the proteome and asymmetric arginine dimethylome of skeletal muscle from individuals with ALS revealed the largest compendium of protein changes with the identification of 793 regulated proteins, and novel site-specific changes in asymmetric dimethyl arginine (aDMA) of key sarcomeric and cytoskeletal proteins. Finally, we show that in vivo overexpression of PRMT1 and aDMA resulted in increased fatigue resistance and functional recovery in mice. Our study provides evidence for asymmetric dimethylation as a regulator of muscle pathophysiology, and we present a valuable proteomics resource and rationale for numerous methylated and non-methylated proteins, including PRMT1, to be pursued for therapeutic development in ALS.

Abstract Arginine methylation is a protein posttranslational modification important for the development of skeletal muscle mass and function. Despite this, our understanding of the regulation of arginine methylation under settings of health and disease remains largely undefined. Here, we investigated the regulation of arginine methylation in skeletal muscles in response to exercise and hypertrophic growth, and in diseases involving metabolic dysfunction and atrophy. We report a limited regulation of arginine methylation under physiological settings that promote muscle health, such as during growth and acute exercise, nor in disease models of insulin resistance. In contrast, we saw a significant remodeling of asymmetric dimethylation in models of atrophy characterized by the loss of innervation, including in muscle biopsies from patients with myotrophic lateral sclerosis (ALS). Mass spectrometry‐based quantification of the proteome and asymmetric arginine dimethylome of skeletal muscle from individuals with ALS revealed the largest compendium of protein changes with the identification of 793 regulated proteins, and novel site‐specific changes in asymmetric dimethyl arginine (aDMA) of key sarcomeric and cytoskeletal proteins. Finally, we show that in vivo overexpression of PRMT1 and aDMA resulted in increased fatigue resistance and functional recovery in mice. Our study provides evidence for asymmetric dimethylation as a regulator of muscle pathophysiology and presents a valuable proteomics resource and rationale for numerous methylated and nonmethylated proteins, including PRMT1, to be pursued for therapeutic development in ALS.

Abstract Metabolic flexibility in skeletal muscle is essential for maintaining healthy glucose and lipid metabolism, and its dysfunction is closely linked to metabolic diseases. Exercise enhances metabolic flexibility, making it an important tool for discovering mechanisms that promote metabolic health. Here we show that pantothenate kinase 4 (PanK4) is a new conserved exercise target with high abundance in muscle. Muscle-specific deletion of PanK4 impairs fatty acid oxidation which is related to higher intramuscular acetyl-CoA and malonyl-CoA levels. Elevated acetyl-CoA levels persist regardless of feeding state and are associated with whole-body glucose intolerance, reduced insulin-stimulated glucose uptake in glycolytic muscle, and impaired glucose uptake during exercise. Conversely, increasing PanK4 levels in glycolytic muscle lowers acetyl-CoA and enhances glucose uptake. Our findings highlight PanK4 as an important regulator of acetyl-CoA levels, playing a key role in both muscle lipid and glucose metabolism.