Abstract Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a progressive neuromuscular disease characterized by extensive muscle weakness. Patients with DMD lack a functional dystrophin protein, which transmits force and organizes the cytoskeleton of skeletal muscle. Multiomic studies evaluate combined changes in the transcriptome, proteome, and metabolome, and have been proposed as a way to obtain novel insight about disease processes from preclinical models. We therefore sought to use this approach to study pathological changes in dystrophic muscles. We evaluated hindlimb muscles of male mdx/mTR mice, which lack a functional dystrophin protein and have deficits in satellite cell abundance and proliferative capacity. Wild type (WT) C57BL/6J mice served as controls. Muscle fiber contractility was measured, along with changes in the transcriptome using RNA sequencing, and in the proteome, metabolome, and lipidome using mass spectroscopy. While mdx/mTR mice displayed gross pathological changes and continued cycles of degeneration and regeneration, we found no differences in fiber contractility between strains. However, there were numerous changes in the transcriptome and proteome related to protein balance, contractile elements, extracellular matrix, and metabolism. There was only a 53% agreement in fold change data between the proteome and transcriptome, highlighting the need to study protein abundance along with gene expression measures. Numerous changes in markers of skeletal muscle metabolism were observed, with dystrophic muscles exhibiting elevated glycolytic metabolites. These findings highlight the utility of multiomics in studying muscle disease, and provide additional insight into the pathological changes in dystrophic muscles that might help to guide evidence-based exercise prescription in DMD patients.

ABSTRACT Obesity is a major risk factor for SARS-CoV-2 infection and COVID-19 severity. The underlying basis of this association is likely complex in nature. The host-cell receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) and the type II transmembrane serine protease (TMPRSS2) are important for viral cell entry. It is unclear whether obesity alters expression of Ace2 and Tmprss2 in the lower respiratory tract. Here, we show that: 1) Ace2 expression is elevated in the lung and trachea of diet-induced obese male mice and reduced in the esophagus of obese female mice relative to lean controls; 2) Tmprss2 expression is increased in the trachea of obese male mice but reduced in the lung and elevated in the trachea of obese female mice relative to lean controls; 3) in chow-fed lean mice, females have higher expression of Ace2 in the lung and esophagus as well as higher Tmprss2 expression in the lung but lower expression in the trachea compared to males; and 4) in diet-induced obese mice, males have higher expression of Ace2 in the trachea and higher expression of Tmprss2 in the lung compared to females, whereas females have higher expression of Tmprss2 in the trachea relative to males. Our data indicate diet- and sex-dependent modulation of Ace2 and Tmprss2 expression in the lower respiratory tract and esophagus. Given the high prevalence of obesity worldwide and a sex-biased mortality rate, we discuss the implications and relevance of our results for COVID-19.

ABSTRACT Central obesity with cardiometabolic syndrome (CMS) is a major global contributor to human disease, and effective therapies are needed. Here, we show inhibiting cyclic-GMP selective phosphodiesterase-9A (PDE9-I) suppresses established diet-induced obesity and CMS in ovariectomized female and male mice. PDE9-I reduces abdominal, hepatic, and myocardial fat accumulation, stimulates mitochondrial activity in brown and white fat, and improves CMS, without altering activity or food intake. PDE9 localizes to mitochondria, and its inhibition stimulates lipolysis and mitochondrial respiration coupled to PPARα-dependent gene regulation. PPARα upregulation is required for PDE9-I metabolic efficacy and is absent in non-ovariectomized females that also display no metabolic benefits from PDE9-I. The latter is compatible with estrogen receptor-α altering PPARα chromatin binding identified by ChIPSeq. In humans with heart failure and preserved ejection fraction, myocardial expression of PPARA and its regulated genes is reduced versus control. These findings support testing PDE9-I to treat obesity/CMS in men and postmenopausal women. Summary Oral inhibition of phosphodiesterase type 9 stimulates mitochondrial fat metabolism and lipolysis, reducing central obesity without changing appetite

Abstract Hummingbirds subsist almost exclusively on nectar sugar and face extreme challenges blood sugar regulation. Transmembrane sugar transport is mediated by facilitative glucose transporters (GLUTs) and the capacity for sugar transport is dependent on both the activity of GLUTs and their localisation to the plasma membrane (PM). In this study, we determined the relative protein abundance in whole-tissue (WT) homogenates and PM fractions via immunoblot using custom antibodies for GLUT1, GLUT2, GLUT3, and GLUT5 in flight muscle, heart, and, liver of ruby-throated hummingbirds ( Archilochus colubris ). GLUTs examined were detected in nearly all tissues tested. Hepatic GLUT1 was minimally present in WT homogenates and absent in PM fractions. GLUT5 was expressed in hummingbird flight muscles at levels comparable to that of their liver, consistent with the hypothesised uniquely high fructose-uptake and oxidation capacity of this tissue. To assess GLUT regulation, we fed ruby-throated hummingbirds 1M sucrose ad libitum for 24 hours followed by either 1 hour of fasting or continued ad libitum feeding until sampling. We measured relative GLUT abundance and concentrations of circulating sugars. Blood fructose concentration in fasted hummingbirds declined from ∼5mM to ∼0.18mM, while fructose-transporting PM GLUT2 and PM GLUT5 did not change in abundance. Blood glucose concentrations remained elevated in both fed and fasted hummingbirds, at ∼30mM, while glucose-transporting PM GLUT1 and PM GLUT3 in the flight muscle and liver, respectively, declined in fasted birds. Our results suggest that glucose uptake capacity is dynamically reduced in response to fasting, allowing for maintenance of elevated blood glucose levels, while fructose uptake capacity remains constitutively elevated promoting depletion of blood total fructose within the first hour of a fast. Summary statement Hummingbird ingest nectar rich in glucose and fructose. When fasted, tissue capacity for circulating glucose import declines while remaining elevated for fructose. This may underlie maintenance of high blood glucose and rapid depletion of blood fructose.

Tenocytes serve to synthesize and maintain collagen fibrils and other matrix proteins in tendon. The underlying biological mechanisms of postnatal tendon growth and repair are not well understood. Insulin-like growth factor 1 (IGF1) plays an important role in the growth and remodeling of numerous tissues, but less is known about IGF1 in tendon. We hypothesized that IGF1 signaling is required for proper tendon growth in response to mechanical loading through regulation of collagen synthesis and cell proliferation. We conditionally deleted the IGF1 receptor ( IGF1R ) in scleraxis ( Scx ) expressing tenocytes, and compared to control Scx:IGF1R + mice, Scx:IGF1R Δ mice demonstrated reduced tenocyte proliferation and smaller tendons in response to mechanical loading. Additionally, we identified that both the PI3K/Akt and ERK pathways are activated downstream of IGF1 and interact in a coordinated manner to regulate cell proliferation and protein synthesis. These studies indicate that IGF1 signaling is required for proper postnatal tendon growth.

ABSTRACT Organ function declines with age, and large-scale transcriptomic analyses have highlighted differential aging trajectories across tissues. The mechanism underlying shared and organ-selective functional changes across the lifespan, however, still remains poorly understood. Given the central role of mitochondria in powering cellular processes needed to maintain tissue health, we therefore undertook a systematic assessment of respiratory activity across 33 different tissues in young (2.5 months) and old (20 months) mice of both sexes. Our high-resolution mitochondrial respiration atlas reveals: 1) within any group of mice, mitochondrial activity varies widely across tissues, with the highest values consistently seen in heart, brown fat, and kidney; 2) biological sex is a significant but minor contributor to mitochondrial respiration, and its contributions are tissue-specific, with major differences seen in the pancreas, stomach, and white adipose tissue; 3) age is a dominant factor affecting mitochondrial activity, especially across most brain regions, different fat depots, skeletal muscle groups, eyes, and different regions of the gastrointestinal tract; 4) age-effects can be sex- and tissue-specific, with some of the largest effects seen in pancreas, heart, adipose tissue, and skeletal muscle; and 5) while aging alters the functional trajectories of mitochondria in a majority of tissues, some are remarkably resilient to age-induced changes. Altogether, our data provide the most comprehensive compendium of mitochondrial respiration and illuminate functional signatures of aging across diverse tissues and organ systems.

Abstract Specialized pro-resolving mediators (SPMs) actively limit inflammation and expedite its resolution. Here we profiled intramuscular lipid mediators following injury and investigated the role of SPMs in skeletal muscle inflammation and repair. Both eicosanoids and SPMs increased following myofiber damage induced by intramuscular injection of barium chloride or functional overload. Daily systemic administration of resolvin D1 (RvD1) limited the degree and duration of inflammation, enhanced regenerating myofiber growth, and improved recovery of muscle strength. RvD1 suppressed inflammatory cytokines, enhanced polymorphonuclear cell clearance, modulated muscle stem cells, and polarized macrophages to a more pro-regenerative subset. RvD1 had minimal direct impact on in-vitro myogenesis but directly suppressed myokine production and stimulated macrophage phagocytosis, showing that SPMs influence modulate both infiltrating myeloid and resident muscle cells. These data reveal the efficacy of immunoresolvents as a novel alternative to classical anti-inflammatory interventions in the management of muscle injuries to modulate inflammation while stimulating tissue repair.

The consequences of aneuploidy have traditionally been studied in cell and animal models in which the extrachromosomal DNA is from the same species. Here, we explore a fundamental question concerning the impact of aneuploidy on systemic metabolism using a non-mosaic transchromosomic mouse model (TcMAC21) carrying a near complete human chromosome 21. Independent of diets and housing temperatures, TcMAC21 mice consume more calories, are hyperactive and hypermetabolic, remain consistently lean and profoundly insulin sensitive, and have a higher body temperature. The hypermetabolism and elevated thermogenesis are due to sarcolipin overexpression in the skeletal muscle, resulting in futile sarco(endo)plasmic reticulum Ca 2+ ATPase (SERCA) activity and energy dissipation. Mitochondrial respiration is also markedly increased in skeletal muscle to meet the high ATP demand created by the futile cycle. This serendipitous discovery provides proof-of-concept that sarcolipin-mediated thermogenesis via uncoupling of the SERCA pump can be harnessed to promote energy expenditure and metabolic health.

ABSTRACT Genome-wide association studies (GWAS) have identified a large number of candidate genes believed to affect longitudinal bone growth and bone mass. One of these candidate genes, TMEM263 , encodes a poorly characterized plasma membrane protein. Single nucleotide polymorphisms in TMEM263 are associated with bone mineral density in humans and mutations are associated with dwarfism in chicken and severe skeletal dysplasia in at least one human fetus. Whether this genotype-phenotype relationship is causal, however, remains unclear. Here, we determine whether and how TMEM263 is required for postnatal growth. Deletion of the Tmem263 gene in mice causes severe postnatal growth failure, proportional dwarfism, and impaired skeletal acquisition. Mice lacking Tmem263 show no differences in body weight within the first two weeks of postnatal life. However, by P21 there is a dramatic growth deficit due to a disrupted GH/IGF-1 axis, which is critical for longitudinal bone growth. Tmem263 -null mice have low circulating IGF-1 levels and pronounced reductions in bone mass and growth plate length. The low serum IGF-1 in Tmem263 -null mice is associated with reduced hepatic GH receptor (GHR) expression and GH-induced JAK2/STAT5 signaling. A deficit in GH signaling dramatically alters GH-regulated genes and feminizes the liver transcriptome of Tmem263-null male mice, with their expression profile resembling a wild-type female, hypophysectomized male, and Stat5b-null male mice. Collectively, our data validates the causal role for Tmem263 in regulating postnatal growth and raises the possibility that rare mutations or variants of TMEM263 may potentially cause GH insensitivity and impair linear growth.

Abstract Tendon inflammation has been implicated in both adaptive connective tissue remodeling and overuse-induced tendinopathy. Lipid mediators control the initiation and resolution of inflammation, but their roles within tendon are largely unknown. Here we profiled local shifts in intratendinous lipid mediators via liquid chromatography-tandem mass spectrometry in response to synergist ablation-induced plantaris tendon overuse. Sixty-four individual lipid mediators were detected in homogenates of habitually loaded plantaris tendons from healthy ambulatory rats. This included many bioactive metabolites of the cyclooxygenase (COX), lipoxygenase (LOX), and epoxygenase (CYP) pathways. Synergist ablation induced a robust inflammatory response at day 3 post-surgery characterized by epitenon infiltration of polymorphonuclear leukocytes (PMNs) and macrophages (MΦ), heightened expression of inflammation-related genes, and increased intratendinous concentrations of the pro-inflammatory eicosanoids thromboxane B 2 (TXB 2 ) and prostaglandin E 2 (PGE 2 ). By day 7, MΦ became the predominant myeloid cell type in tendon and there were further delayed increases in other COX metabolites including PGD 2 , PGF 2α and PGI 2 . Specialized pro-resolving mediators (SPMs) including protectin D1 (PD1) and resolvin D6 (RvD6), as well as related pathway markers of D-resolvins (17-HDoHE), E-resolvins (18-HEPE) and lipoxins (15-HETE) were also increased locally in response to tendon overuse, as were many anti-inflammatory fatty acid epoxides of the CYP pathway (e.g. EpETrEs). Nevertheless, intratendinous prostaglandins remained markedly increased even following 28 days of tendon overuse together with a lingering MΦ presence. These data reveal a delayed and prolonged local inflammatory response to tendon overuse characterized by an overwhelming predominance of pro-inflammatory eicosanoids and a relative lack of pro-resolving lipid mediators.