The peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-γ coactivator-1 (PGC-1) can induce mitochondria biogenesis and has been implicated in the development of oxidative type I muscle fibers. The PPAR isoforms α, β/δ, and γ control the transcription of genes involved in fatty acid and glucose metabolism. As endurance training increases skeletal muscle mitochondria and type I fiber content and fatty acid oxidative capacity, our aim was to determine whether these increases could be mediated by possible effects on PGC-1 or PPAR-α, -β/δ, and -γ. Seven healthy men performed 6 weeks of endurance training and the expression levels of PGC-1 and PPAR-α, -β/δ, and -γ mRNA as well as the fiber type distribution of the PGC-1 and PPAR-α proteins were measured in biopsies from their vastus lateralis muscle. PGC-1 and PPAR-α mRNA expression increased by 2.7- and 2.2-fold (P < 0.01), respectively, after endurance training. PGC-1 expression was 2.2- and 6-fold greater in the type IIa than in the type I and IIx fibers, respectively. It increased by 2.8-fold in the type IIa fibers and by 1.5-fold in both the type I and IIx fibers after endurance training (P < 0.015). PPAR-α was 1.9-fold greater in type I than in the II fibers and increased by 3.0-fold and 1.5-fold in these respective fibers after endurance training (P < 0.001). The increases in PGC-1 and PPAR-α levels reported in this study may play an important role in the changes in muscle mitochondria content, oxidative phenotype, and sensitivity to insulin known to be induced by endurance training.

Mitochondrial impairment is hypothesized to contribute to the pathogenesis of insulin resistance. Mitofusin (Mfn) proteins regulate the biogenesis and maintenance of the mitochondrial network, and when inactivated, cause a failure in the mitochondrial architecture and decreases in oxidative capacity and glucose oxidation. Exercise increases muscle mitochondrial content, size, oxidative capacity and aerobic glucose oxidation. To address if Mfn proteins are implicated in these exercise‐induced responses, we measured Mfn1 and Mfn2 mRNA levels, pre‐, post‐, 2 and 24 h post‐exercise. Additionally, we measured the expression levels of transcriptional regulators that control mitochondrial biogenesis and functions, including PGC‐1α, NRF‐1, NRF‐2 and the recently implicated ERRα. We show that Mfn1, Mfn2, NRF‐2 and COX IV mRNA were increased 24 h post‐exercise, while PGC‐1α and ERRα mRNA increased 2 h post‐exercise. Finally, using in vitro cellular assays, we demonstrate that Mfn2 gene expression is driven by a PGC‐1α programme dependent on ERRα. The PGC‐1α/ERRα‐mediated induction of Mfn2 suggests a role of these two factors in mitochondrial fusion. Our results provide evidence that PGC‐1α not only mediates the increased expression of oxidative phosphorylation genes but also mediates alterations in mitochondrial architecture in response to aerobic exercise in humans.

Skeletal muscle size is tightly regulated by the synergy between anabolic and catabolic signalling pathways which, in humans, have not been well characterized. Akt has been suggested to play a pivotal role in the regulation of skeletal muscle hypertrophy and atrophy in rodents and cells. Here we measured the amount of phospho-Akt and several of its downstream anabolic targets (glycogen synthase kinase-3beta (GSK-3beta), mTOR, p70(s6k) and 4E-BP1) and catabolic targets (Foxo1, Foxo3, atrogin-1 and MuRF1). All measurements were performed in human quadriceps muscle biopsies taken after 8 weeks of both hypertrophy-stimulating resistance training and atrophy-stimulating de-training. Following resistance training a muscle hypertrophy ( approximately 10%) and an increase in phospho-Akt, phospho-GSK-3beta and phospho-mTOR protein content were observed. This was paralleled by a decrease in Foxo1 nuclear protein content. Following the de-training period a muscle atrophy (5%), relative to the post-training muscle size, a decrease in phospho-Akt and GSK-3beta and an increase in Foxo1 were observed. Atrogin-1 and MuRF1 increased after the hypertrophy and decreased after the atrophy phases. We demonstrate, for the first time in human skeletal muscle, that the regulation of Akt and its downstream signalling pathways GSK-3beta, mTOR and Foxo1 are associated with both the skeletal muscle hypertrophy and atrophy processes.

The identification of microRNAs (miRNAs) has established new mechanisms that control skeletal muscle adaptation to exercise. The present study investigated the mRNA regulation of components of the miRNA biogenesis pathway (Drosha, Dicer and Exportin-5), muscle enriched miRNAs, (miR-1, -133a, -133b and -206), and several miRNAs dysregulated in muscle myopathies (miR-9, -23, -29, -31 and -181). Measurements were made in muscle biopsies from nine healthy untrained males at rest, 3 h following an acute bout of moderate-intensity endurance cycling and following 10 days of endurance training. Bioinformatics analysis was used to predict potential miRNA targets. In the 3 h period following the acute exercise bout, Drosha, Dicer and Exportin-5, as well as miR-1, -133a, -133-b and -181a were all increased. In contrast miR-9, -23a, -23b and -31 were decreased. Short-term training increased miR-1 and -29b, while miR-31 remained decreased. Negative correlations were observed between miR-9 and HDAC4 protein (r=-0.71; P=0.04), miR-31 and HDAC4 protein (r=-0.87; P=0.026) and miR-31 and NRF1 protein (r=-0.77; P=0.01) 3 h following exercise. miR-31 binding to the HDAC4 and NRF1 3 untranslated region (UTR) reduced luciferase reporter activity. Exercise rapidly and transiently regulates several miRNA species in muscle. Several of these miRNAs may be involved in the regulation of skeletal muscle regeneration, gene transcription and mitochondrial biogenesis. Identifying endurance exercise-mediated stress signals regulating skeletal muscle miRNAs, as well as validating their targets and regulatory pathways post exercise, will advance our understanding of their potential role/s in human health.

Abstract Female carriers of a Duchenne muscular dystrophy ( DMD ) gene mutation manifest exercise intolerance and metabolic anomalies that may be exacerbated following menopause due to the loss of estrogen, a known regulator of skeletal muscle function and metabolism. Here, we studied the impact of estrogen depletion (via ovariectomy) on exercise tolerance and muscle mitochondrial metabolism in female mdx mice and the potential of estrogen replacement therapy (using estradiol) to protect against functional and metabolic perturbations. We also investigated the effect of estrogen depletion, and replacement, on the skeletal muscle proteome through an untargeted proteomic approach with TMT‐labelling. Our study confirms that loss of estrogen in female mdx mice reduces exercise capacity, tricarboxylic acid cycle intermediates, and citrate synthase activity but that these deficits are offset through estrogen replacement therapy. Furthermore, ovariectomy downregulated protein expression of RNA‐binding motif factor 20 (Rbm20), a critical regulator of sarcomeric and muscle homeostasis gene splicing, which impacted pathways involving ribosomal and mitochondrial translation. Estrogen replacement modulated Rbm20 protein expression and promoted metabolic processes and the upregulation of proteins involved in mitochondrial dynamics and metabolism. Our data suggest that estrogen mitigates dystrophinopathic features in female mdx mice and that estrogen replacement may be a potential therapy for post‐menopausal DMD carriers.

Abstract Cytoplasmic accumulation and aggregation of TDP-43 is a hallmark of ∼97% of ALS cases. Formation of TDP-43 insoluble aggregates is suggested to either directly or indirectly cause motor neuron loss and progressive neuromuscular degeneration, although how this occurs is not precisely understood. Cytoplasmic TDP-43 is observed in stress granules (SG). SGs are ribonucleoprotein (RNP) complexes formed during stress conditions, consisting of mRNAs and RNA-binding proteins (RNPs). Chronic TDP-43/SG formation may play a role in neuromuscular degeneration in ALS. The composition of in vivo TDP-43-asscociated SGs in ALS not known. This knowledge may provide insights into the molecular pathways impaired by TDP-43-associated SGs and suggest disease modifying mechanisms. The aim of this study was to isolate and analyse the proteome of the insoluble TDP-43-associated SG fraction from brain tissue of end-stage TDP-43ΔNLS mice. Proteomic analysis identified 134 enriched and 17 depleted proteins in the TDP-43ΔNLS mice, when compared to the control mice. Bioinformatics analyses of the impacted proteins from the SG preparation suggested that brain tissue from end-stage NEFH-TDP-43ΔNLS mice have sustained SG formation, CLUH granule recruitment and impaired mitochondrial metabolism. This is the first time that CLUH granule recruitment has been demonstrated in ALS and the known role of CLUH suggests that cell starvation is a potential mechanism of motor neuron loss that could be targeted in ALS. Highlights We present a detailed a protocol for the extraction of cross-linked TDP containing stress granules from brain tissue. We present proteomics data from the insoluble fraction from brain tissue of an ALS mouse model. We identify the mitochondrial mRNA transport protein CLUH and CLUH targets trapped in insoluble SG fraction of brain. Reanalysing proteomics data from axonal soluble fraction supports a link between proteins trapped in the brain and depleted from the axons. Propose a model where metabolic mitochondrial enzymes trapped in the insoluble fraction from the brain via a CLUH dependent mechanism results in motor neuron death by starvation in ALS.

Abstract Female carriers of a Duchenne muscular dystrophy ( DMD ) gene mutation manifest exercise intolerance and metabolic anomalies that may be exacerbated following menopause due to the loss of estrogen, a known regulator of skeletal muscle function and metabolism. Here, we studied the impact of estrogen depletion (via ovariectomy) on exercise tolerance and muscle mitochondrial metabolism in female mdx mice and the potential of estrogen replacement therapy (using estradiol) to protect against functional and metabolic perturbations. We also investigated the effect of estrogen depletion, and replacement, on the skeletal muscle proteome through an untargeted proteomic approach with TMT-labelling. Our study confirms that loss of estrogen in female mdx mice reduces exercise capacity, tricarboxylic acid cycle intermediates and citrate synthase activity but that these deficits can be offset through estrogen replacement therapy. Furthermore, ovariectomy downregulated protein expression of RNA binding motif factor 20 (Rbm20), a critical regulator of sarcomeric and muscle homeostasis gene splicing, which impacted pathways involving ribosomal and mitochondrial translation. Estrogen replacement modulated Rbm20 protein expression and promoted metabolic processes and the upregulation of proteins involved in mitochondrial dynamics and metabolism. Our data suggests that estrogen mitigates dystrophinopathic features in female mdx mice and that estrogen replacement may be a potential therapy for post-menopausal DMD carriers.