Abstract In striated muscle, the sarcomeric protein myosin-binding protein-C (MyBP-C) is bound to the myosin thick filament and is predicted to stabilize myosin heads in a docked position against the thick filament, which limits crossbridge formation. Here, we use the homozygous Mybpc2 knockout (C2 -/- ) mouse line to remove the fast-isoform MyBP-C from fast skeletal muscle and then conduct mechanical functional studies in parallel with small-angle X-ray diffraction to evaluate the myofilament structure. We report that C2 −/− fibers present deficits in force production and calcium sensitivity. Structurally, passive C2 -/- fibers present altered sarcomere length-independent and -dependent regulation of myosin head conformations, with a shift of myosin heads towards actin. At shorter sarcomere lengths, the thin filament is axially extended in C2 -/- , which we hypothesize is due to increased numbers of low-level crossbridges. These findings provide testable mechanisms to explain the etiology of debilitating diseases associated with MyBP-C.

Abstract Mitogen-activated protein kinases (MAPK) are conserved protein kinases that regulate a diverse array of cellular activities. Stress or mitogenic signals activate three primary branches of the greater MAPK cascade, each of which consists of a phosphorylation-dependent array of successively acting kinases. The extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) branch is regulated by growth factory signaling at the cell membrane, leading to phosphorylation of the dual-specificity kinase MEK1, which is dedicated to ERK1/2 phosphorylation. Previous studies have established a link between MAPK activation and endurance exercise, but whether a single MAPK is responsible for establishing muscle metabolic fate is unclear. Using mouse genetics we observed that muscle-specific expression of a constitutively active MEK1 promotes greater ERK1/2 signaling that mediates fiber-type switching in mouse skeletal muscle to a slow, oxidative phenotype with type I myosin heavy chain expression. Induced expression of the activated MEK1 mutant using either a MyoD-Cre or myosin light chain-Cre strategy equally increased the number of type I fibers in skeletal muscle with significantly reduced size compared to controls. Moreover, activation of MEK1 in mature myofibers of an adult mouse using a transgene containing a tamoxifen inducible MerCreMer cDNA under the control of a skeletal α-actin promoter produced a similar phenotype of switching towards a slow-oxidative program. Physiologic assessment of mice with greater skeletal muscle slow-oxidative fibers showed enhanced metabolic activity and oxygen consumption with greater fatigue resistance of individual muscles. In summary, these results show that sustained MEK1-ERK1/2 activity in skeletal muscle produces a fast-to-slow fiber-type switch, suggesting that modulation of this signaling pathway may represent a therapeutic approach to enhance the long-term metabolic effectiveness of muscle in vivo .

Regeneration of adult skeletal muscle after injury is coordinated by complex interactions between the injured muscle and the innate immune system. Myeloid lineage cells predominate in this process. This study examined the role of Krüppel like factor 2 (KLF2), a zinc-finger transcription factor that regulates myeloid cell activation state, in muscle regeneration. Gastrocnemius muscles of wild-type and myeKlf2-/- mice, which lack KLF2 in all myeloid cells, were subjected to cardiotoxin injury and followed for 21 days. Injured muscles of myeKlf2-/- contained more infiltrating, inflammatory Ly6C+ monocytes, with elevated expression of inflammatory mediators. Infiltrating monocytes matured earlier into pro-inflammatory macrophages with phenotype Ly6C+, CD11b+, F4/80+. Inflammation resolved earlier and progressed to myogenesis, marked by an earlier decline of Ly6C+ macrophages and their replacement with anti-inflammatory Ly6C- populations, in association with elevated expression of factors that resolve inflammation and promote myogenesis. Overall, regeneration was completed earlier. These findings identify myeloid KLF2 as a central regulator of the innate immune response to acute skeletal muscle injury. Manipulating myeloid KLF2 levels may be a useful strategy for accelerating regeneration.

MYBPC3, encoding cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), is the most mutated gene known to cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM). However, since little is known about the underlying etiology, additional in vitro studies are crucial to defining the underlying molecular mechanisms. Accordingly, this study aimed to investigate the molecular mechanisms underlying the pathogenesis of HCM associated with a polymorphic variant (D389V) in MYBPC3 by using isogenic human-induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiac organoids (hCOs). The hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and hCOs were generated from human subjects to define the molecular, cellular, functional, and energetic changes caused by the MYBPC3D389V variant, which is associated with increased fractional shortening and highly prevalent in South Asian descendants. Recombinant C0-C2, N’ region of cMyBP-C (wild-type and D389V), and myosin S2 proteins were also utilized to perform binding and motility assays in vitro. Confocal and electron microscopic analyses of hCOs generated from noncarriers (NC) and carriers of the MYBPC3D389V variant revealed the presence of highly organized sarcomeres. Furthermore, functional experiments showed hypercontractility, faster calcium cycling, and faster contractile kinetics in hCOs expressing MYBPC3D389V than NC hCOs. Interestingly, significantly increased cMyBP-C phosphorylation in MYBPC3D389V hCOs was observed, but without changes in total protein levels, in addition to higher oxidative stress and lower mitochondrial membrane potential (ΔΨm). Next, spatial mapping revealed the presence of endothelial cells, fibroblasts, macrophages, immune cells, and cardiomyocytes in the hCOs. The hypercontractile function was significantly improved after the treatment of the myosin inhibitor mavacamten (CAMZYOS®) in MYBPC3D389V hCOs. Lastly, various vitro binding assays revealed a significant loss of affinity in the presence of MYBPC3D389V with myosin S2 region as a likely mechanism for hypercontraction. Conceptually, we showed the feasibility of assessing the functional and molecular mechanisms of HCM using highly translatable hCOs through pragmatic experiments that led to determining the MYBPC3D389V hypercontractile phenotype, which was rescued by the administration of a myosin inhibitor.

During heart failure, gene and protein expression profiles undergo extensive compensatory and pathological remodeling. We previously observed that fast skeletal myosin binding protein-C (fMyBP-C) is upregulated in diseased mouse hearts. While fMyBP-C shares significant homology with its cardiac paralog, cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), there are key differences that may affect cardiac function. However, it is unknown if the expression of fMyBP-C expression in the heart is a pathological or compensatory response. We aim to elucidate the cardiac consequence of either increased or knockout of fMyBP-C expression. To determine the sufficiency of fMyBP-C to cause cardiac dysfunction, we generated cardiac-specific fMyBP-C over-expression mice. These mice were further crossed into a cMyBP-C null model to assess the effect of fMyBP-C in the heart in the complete absence of cMyBP-C. Finally, fMyBP-C null mice underwent transverse aortic constriction (TAC) to define the requirement of fMyBP-C during heart failure development. We confirmed the upregulation of fMyBP-C in several models of cardiac disease, including the use of lineage tracing. Low levels of fMyBP-C caused mild cardiac remodeling and sarcomere dysfunction. Exclusive expression of fMyBP-C in a heart failure model further exacerbated cardiac pathology. Following 8 weeks of TAC, fMyBP-C null mice demonstrated greater protection against heart failure development. Mechanistically, this may be due to the differential regulation of the myosin super-relaxed state. These findings suggest that the elevated expression of fMyBP-C in diseased hearts is a pathological response. Targeted therapies to prevent upregulation of fMyBP-C may prove beneficial in the treatment of heart failure.

Abstract BACKGROUND MYBPC3 , encoding cardiac myosin binding protein-C (cMyBP-C), is the most mutated gene known to cause hypertrophic cardiomyopathy (HCM). However, since little is known about the underlying etiology, additional in vitro studies are crucial to defining the underlying molecular mechanisms. Accordingly, this study aimed to investigate the molecular mechanisms underlying the pathogenesis of HCM associated with a polymorphic variant (D389V) in MYBPC3 by using human-induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiac organoids (hCOs). METHODS The hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and hCOs were generated from human subjects to define the molecular, cellular, and functional changes caused by the MYBPC3 D389V variant. This variant is associated with increased fractional shortening and is highly prevalent in South Asian descendants. Recombinant C0-C2, N’-region of cMyBP-C (wildtype and D389V), and myosin S2 proteins were also utilized to perform binding and motility assays in vitro . RESULTS Confocal and electron microscopic analyses of hCOs generated from noncarriers (NC) and carriers of the MYBPC3 D389V variant revealed the presence of highly organized sarcomeres. Furthermore, functional experiments showed hypercontractility with increased contraction velocity, faster calcium cycling, and faster contractile kinetics in hCOs expressing MYBPC3 D389V than NC hCOs. Interestingly, significantly increased cMyBP-C phosphorylation in MYBPC3 D389V hCOs was observed, but without changes in total protein levels, in addition to higher oxidative stress and lower mitochondrial membrane potential (ΔΨm). Next, spatial mapping revealed the presence of endothelial cells, fibroblasts, macrophages, immune cells, and cardiomyocytes in the hCOs. The hypercontractile function was significantly improved after treatment with the myosin inhibitor mavacamten (CAMZYOS®) in MYBPC3 D389V hCOs. Lastly, various in vitro binding assays revealed a significant loss of affinity in the presence of MYBPC3 D389V with myosin S2 region as a likely mechanism for hypercontraction. CONCLUSIONS Conceptually, we showed the feasibility of assessing the functional and molecular mechanisms of HCM using highly translatable hCOs through pragmatic experiments that led to determining the MYBPC3 D389V hypercontractile phenotype, which was rescued by administration of a myosin inhibitor. Novelty and Significance What Is Known? MYBPC3 mutations have been implicated in hypertrophic cardiomyopathy. D389V is a polymorphic variant of MYBPC3 predicted to be present in 53000 US South Asians owing to the founder effect. D389V carriers have shown evidence of hyperdynamic heart, and human-induced pluripotent stem cells (hiPSC)-derived cardiomyocytes with D389V show cellular hypertrophy and irregular calcium transients. The molecular mechanism by which the D389V variant develops pathological cardiac dysfunction remains to be conclusively determined. What New Information Does This Article Contribute ? The authors leveraged a highly translational cardiac organoid model to explore the role of altered cardiac calcium handling and cardiac contractility as a common pathway leading to pathophysiological phenotypes in patients with early HCM. The MYBPC3 D389V -mediated pathological pathway is first studied here by comparing functional properties using three-dimensional cardiac organoids differentiated from hiPSC and determining the presence of hypercontraction. Our data demonstrate that faster sarcomere kinetics resulting from lower binding affinity between D389V-mutated cMyBP-C protein and myosin S2, as evidenced by in vitro studies, could cause hypercontractility which was rescued by administration of mavacamten (CAMZYOS®), a myosin inhibitor. In addition, hypercontractility causes secondary mitochondrial defects such as higher oxidative stress and lower mitochondrial membrane potential (ΔΨm), highlighting a possible early adaptive response to primary sarcomeric changes. Early treatment of MYBPC3 D389V carriers with mavacamten may prevent or reduce early HCM-related pathology. GRAPHICAL ABSTRACT A graphical abstract is available for this article.

There is a growing awareness that both thick filament and classical thin filament regulation play central roles in modulating muscle contraction. Myosin ATPase assays have demonstrated that under relaxed conditions, myosin may reside in either a high energy-consuming disordered-relaxed (DRX) state available for binding actin to generate force, or in an energy-sparing super-relaxed (SRX) state unavailable for actin binding. X-ray diffraction studies have shown the majority of myosin heads are in a quasi-helically ordered OFF state in a resting muscle and that this helical ordering is lost when myosin heads are turned ON for contraction. It has been assumed that myosin heads in SRX and DRX states are equivalent to the OFF and ON state respectively and the terms have been used interchangeably. Here, we use X-ray diffraction and ATP turnover assays to track the structural and biochemical transitions of myosin heads respectively induced with either omecamtiv mecarbil (OM) or piperine in relaxed porcine myocardium. We find that while OM and piperine induce dramatic shifts of myosin heads from the OFF to ON states, there are no appreciable changes in the population of myosin heads in the SRX and DRX states in both unloaded and loaded preparations. Our results show that biochemically defined SRX and DRX can be decoupled from structurally-defined OFF and ON states. In summary, while SRX/DRX and OFF/ON transitions can be correlated in some cases, these two phenomena are measured using different approaches, do not necessarily reflect the same properties of the thick filament and should be investigated and interpreted separately.

In striated muscle, some sarcomere proteins regulate crossbridge cycling by varying the propensity of myosin heads to interact with actin. Myosin-binding protein C (MyBP-C) is bound to the myosin thick filament and is predicted to interact and stabilize myosin heads in a docked position against the thick filament and limit crossbridge formation, the so-called OFF state. Via an unknown mechanism, MyBP-C is thought to release heads into the so-called ON state, where they are more likely to form crossbridges. To study this proposed mechanism, we used the C2-/- mouse line to knock down fast-isoform MyBP-C completely and total MyBP-C by ~24%, and conducted mechanical functional studies in parallel with small-angle X-ray diffraction to evaluate the myofilament structure. We report that C2-/- fibers presented deficits in force production and reduced calcium sensitivity. Structurally, passive C2-/- fibers presented altered SL-independent and SL-dependent regulation of myosin head ON/OFF states, with a shift of myosin heads towards the ON state. Unexpectedly, at shorter sarcomere lengths, the thin filament was axially extended in C2-/- vs. non-transgenic controls, which we postulate is due to increased low-level crossbridge formation arising from relatively more ON myosins in the passive muscle that elongates the thin filament. The downstream effect of increasing crossbridge formation in a passive muscle on contraction performance is not known. Such widespread structural changes to sarcomere proteins provide testable mechanisms to explain the etiology of debilitating MyBP-C-associated diseases.

Abstract Background Loss of muscle strength and endurance with aging or in various conditions negatively affects quality of life. Resistance exercise training (RET) is the most powerful means to improve muscle mass and strength, but it does not generally lead to improvements in endurance capacity. Free essential amino acids (EAAs) act as precursors and stimuli for synthesis of both mitochondrial and myofibrillar proteins that could potentially confer endurance and strength gains. Thus, we hypothesized that daily consumption of a dietary supplement of nine free EAAs with RET improves endurance in addition to the strength gains by RET. Methods Male C57BL6J mice (9 weeks old) were assigned to control (CON), EAA, RET (ladder climbing, 3 times a week), or combined treatment of EAA and RET (EAA + RET) groups. Physical functions focusing on strength or endurance were assessed before and after the interventions. Several analyses were performed to gain better insight into the mechanisms by which muscle function was improved. We determined cumulative rates of myofibrillar and mitochondrial protein synthesis using 2 H 2 O labelling and mass spectrometry; assessed ex vivo contractile properties and in vitro mitochondrial function, evaluated neuromuscular junction (NMJ) stability, and assessed implicated molecular singling pathways. Furthermore, whole‐body and muscle insulin sensitivity along with glucose metabolism, were evaluated using a hyperinsulinaemic–euglycaemic clamp. Results EAA + RET increased muscle mass (10%, P < 0.05) and strength (6%, P < 0.05) more than RET alone, due to an enhanced rate of integrated muscle protein synthesis (19%, P < 0.05) with concomitant activation of Akt1/mTORC1 signalling. Muscle quality (muscle strength normalized to mass) was improved by RET (i.e., RET and EAA + RET) compared with sedentary groups (10%, P < 0.05), which was associated with increased AchR cluster size and MuSK activation ( P < 0.05). EAA + RET also increased endurance capacity more than RET alone (26%, P < 0.05) by increasing both mitochondrial protein synthesis (53%, P < 0.05) and DRP1 activation ( P < 0.05). Maximal respiratory capacity increased ( P < 0.05) through activation of the mTORC1‐DRP1 signalling axis. These favourable effects were accompanied by an improvement in basal glucose metabolism (i.e., blood glucose concentrations and endogenous glucose production vs. CON, P < 0.05). Conclusions Combined treatment with balanced free EAAs and RET may effectively promote endurance capacity as well as muscle strength through increased muscle protein synthesis, improved NMJ stability, and enhanced mitochondrial dynamics via mTORC1‐DRP1 axis activation, ultimately leading to improved basal glucose metabolism.