Exercise promotes functional improvements in aged tissues, but the extent to which it simulates partial molecular reprogramming is unknown. Using transcriptome profiling from (1) a skeletal muscle-specific in vivo Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) reprogramming-factor expression murine model; (2) an in vivo inducible muscle-specific Myc induction murine model; (3) a translatable high-volume hypertrophic exercise training approach in aged mice; and (4) human exercise muscle biopsies, we collectively defined exercise-induced genes that are common to partial reprogramming. Late-life exercise training lowered murine DNA methylation age according to several contemporary muscle-specific clocks. A comparison of the murine soleus transcriptome after late-life exercise training to the soleus transcriptome after OKSM induction revealed an overlapping signature that included higher JunB and Sun1. Also, within this signature, downregulation of specific mitochondrial and muscle-enriched genes was conserved in skeletal muscle of long-term exercise-trained humans; among these was muscle-specific Abra/Stars. Myc is the OKSM factor most induced by exercise in muscle and was elevated following exercise training in aged mice. A pulse of MYC rewired the global soleus muscle methylome, and the transcriptome after a MYC pulse partially recapitulated OKSM induction. A common signature also emerged in the murine MYC-controlled and exercise adaptation transcriptomes, including lower muscle-specific Melusin and reactive oxygen species-associated Romo1. With Myc, OKSM and exercise training in mice, as well habitual exercise in humans, the complex I accessory subunit Ndufb11 was lower; low Ndufb11 is linked to longevity in rodents. Collectively, exercise shares similarities with genetic in vivo partial reprogramming. KEY POINTS: Advances in the last decade related to cellular epigenetic reprogramming (e.g. DNA methylome remodelling) toward a pluripotent state via the Yamanaka transcription factors Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) provide a window into potential mechanisms for combatting the deleterious effects of cellular ageing. Using global gene expression analysis, we compared the effects of in vivo OKSM-mediated partial reprogramming in skeletal muscle fibres of mice to the effects of late-life murine exercise training in muscle. Myc is the Yamanaka factor most induced by exercise in skeletal muscle, and so we compared the MYC-controlled transcriptome in muscle to Yamanaka factor-mediated and exercise adaptation mRNA landscapes in mice and humans. A single pulse of MYC is sufficient to remodel the muscle methylome. We identify partial reprogramming-associated genes that are innately altered by exercise training and conserved in humans, and propose that MYC contributes to some of these responses.

Abstract Molecular control of recovery after exercise in muscle is temporally dynamic. A time course of biopsies around resistance exercise (RE) combined with -omics is necessary to better comprehend the molecular contributions of skeletal muscle adaptation in humans. Vastus lateralis biopsies before and 30 minutes, 3-, 8-, and 24-hours after acute RE were collected. A time-point matched biopsy-only group was also included. RNA-sequencing defined the transcriptome while DNA methylomics and computational approaches complemented these data. The post-RE time course revealed: 1) DNA methylome responses at 30 minutes corresponded to upregulated genes at 3 hours, 2) a burst of translation- and transcription-initiation factor-coding transcripts occurred between 3 and 8 hours, 3) global gene expression peaked at 8 hours, 4) ribosome-related genes dominated the mRNA landscape between 8 and 24 hours, 5) methylation-regulated MYC was a highly influential transcription factor throughout the 24-hour recovery and played a primary role in ribosome-related mRNA levels between 8 and 24 hours. The influence of MYC in human muscle adaptation was strengthened by transcriptome information from acute MYC overexpression in mouse muscle. To test whether MYC was sufficient for hypertrophy, we generated a muscle fiber-specific doxycycline inducible model of pulsatile MYC induction. Periodic 48-hour pulses of MYC over 4 weeks resulted in higher muscle mass and fiber size in the soleus of adult female mice. Collectively, we present a temporally resolved resource for understanding molecular adaptations to RE in muscle and reveal MYC as a regulator of RE-induced mRNA levels and hypertrophy.

Abstract Objectives A high proportion of women with advanced epithelial ovarian cancer (EOC) experience weakness and cachexia. This relationship is associated with increased morbidity and mortality. EOC is the most lethal gynecological cancer, yet no preclinical cachexia model has demonstrated the combined hallmark features of metastasis, ascites development, muscle loss and weakness in adult immunocompetent mice. Methods Here, we evaluated a new model of ovarian cancer-induced cachexia with the advantages of inducing cancer in adult immunocompetent C57BL/6J mice through orthotopic injections of EOC cells in the ovarian bursa. We characterized the development of metastasis, ascites, muscle atrophy, muscle weakness, markers of inflammation, and mitochondrial stress in the tibialis anterior (TA) and diaphragm ∼45, ∼75 and ∼90 days after EOC injection. Results Primary ovarian tumour sizes were progressively larger at each time point while robust metastasis, ascites development, and reductions in body, fat and muscle weights occurred by 90 Days. There were no changes in certain inflammatory (TNFα), atrogene (MURF1 and Atrogin) or GDF15 markers within both muscles whereas IL-6 was increased at 45 and 90 Day groups in the diaphragm. TA weakness in 45 Day preceded atrophy and metastasis that were observed later (75 and 90 Day, respectively). The diaphragm demonstrated both weakness and atrophy in 45 Day. In both muscles, this pre-metastatic muscle weakness corresponded with considerable reprogramming of gene pathways related to mitochondrial bioenergetics as well as reduced functional measures of mitochondrial pyruvate oxidation and creatine-dependent ADP/ATP cycling as well as increased reactive oxygen species emission (hydrogen peroxide). Remarkably, muscle force per unit mass at 90 days was partially restored in the TA despite the presence of atrophy and metastasis. In contrast, the diaphragm demonstrated progressive weakness. At this advanced stage, mitochondrial pyruvate oxidation in both muscles exceeded control mice suggesting an apparent metabolic super-compensation corresponding with restored indices of creatine-dependent adenylate cycling. Conclusion This mouse model demonstrates the concurrent development of cachexia and metastasis that occurs in women with EOC. The model provides physiologically relevant advantages of inducing tumour development within the ovarian bursa in immunocompetent adult mice. Moreover, the model reveals that muscle weakness in both TA and diaphragm precedes metastasis while weakness also precedes atrophy in the TA. An underlying mitochondrial bioenergetic stress corresponded with this early weakness. Collectively, these discoveries can direct new research towards the development of therapies that target pre-atrophy and pre-metastatic weakness during EOC in addition to therapies targeting cachexia. Highlights This study reports the first orthotopic model of metastatic ovarian cancer cachexia that can be induced in adult immunocompetent mice Diaphragm and limb muscle weakness precedes metastasis and atrophy during ovarian cancer Skeletal muscle mitochondrial oxidative and redox stress signatures occur during pre-metastatic stages of ovarian cancer Specific muscle force as well as mitochondrial pyruvate oxidation and creatine metabolism demonstrate compensation in later stages Ovarian cancer has heterogeneous effects on distinct muscle types across time

Abstract Background Cancer-cachexia (CC) is experienced by 80% of cancer patients, representing 40% of cancer-related deaths. Evidence suggests biological sex dimorphism is associated with CC. Assessments of the female transcriptome in CC are lacking and direct comparisons between biological sex are scarce. The purpose of this study was to define the time course of LLC-induced CC in females using transcriptomics, while directly comparing the effects of biological sex. Methods Eight-week-old female mice were injected with LLC cells (1×10 6 ) or sterile PBS to the hind flank. Tumors developed for 1, 2, 3 or 4-weeks. Due to dimorphism between tumor weight in 3- and 4-weeks of development, these were reorganized as low-tumor weight (LT, tumor-weight ≤1.2g), or high-tumor weight (HT, tumor-weight ≥2g). Gastrocnemius muscle was collected for RNA-sequencing (RNA-seq). Differentially expressed genes (DEGs) were defined as FDR<0.05. Data were further compared to RNA-seq of male mice from a previous study. Results Global gene expression of female gastrocnemius muscle reveals consistent DEGs at all timepoints, all associated with type-II interferon signaling (FDR<0.05). Early transcriptomic upregulation of extracellular-matrix pathways was noted at 1wk (p<0.05), JAK-STAT pathway was upregulated in 2wk, LT, and HT. Type II interferon signaling was downregulated in 1wk, LT, and HT (p<0.05). A second major transcriptomic downregulation in oxidative phosphorylation, electron transport chain and TCA cycle were noted in cachectic (HT) muscle only (p<0.05). Male-female comparison of cachectic groups revealed 69% of DEGs were distinct between sex (FDR<0.05). Comparison of the top 10-up and down DEGs revealed downregulation of type-II Interferon genes was unique to female, while males show upregulation of interferon-signaling pathways. Conclusion We demonstrate biphasic disruptions in transcriptome of female LLC tumor-bearing mice: an early phase associated with ECM remodeling and a late phase, accompanied by onset of systemic cachexia, affecting overall skeletal muscle energy metabolism. Comparison of cachectic female-male mice reveals ~2/3 of DEGs are biological sex specific, providing evidence of dimorphic mechanisms of cachexia between sexes. Alterations to Type-II Interferon signaling appears specific to CC development in females, suggesting a new biological sex-specific marker of CC. Our data support biological sex dimorphisms in development of CC. Highlights While males show impairments in skeletal muscle energy metabolism in early stages of CC, early transcriptomic alterations impact ECM remodeling that precedes impairments in skeletal muscle energy metabolism in female tumor-bearing mice. 2/3 of differently expressed genes in skeletal muscle undergoing cachexia are biological sex specific. Downregulation of Type-II Interferon genes is unique to female mice, which displayed preserved gastrocnemius mass despite systemic cachexia, representing a potential therapeutic target for muscle mass maintenance in cancer-induced atrophy. Mechanisms of LLC-induced cachexia appear to be biological sex specific which needs to be considered in further study of mechanisms and therapeutic modalities.

A high proportion of women with advanced epithelial ovarian cancer (EOC) experience weakness and cachexia. This relationship is associated with increased morbidity and mortality. EOC is the most lethal gynecological cancer, yet no preclinical cachexia model has demonstrated the combined hallmark features of metastasis, ascites development, muscle loss and weakness in adult immunocompetent mice.