Preserving skeletal muscle function is essential to maintain life quality at high age. Calorie restriction (CR) potently extends health and lifespan, but is largely unachievable in humans, making "CR mimetics" of great interest. CR targets nutrient-sensing pathways centering on mTORC1. The mTORC1 inhibitor, rapamycin, is considered a potential CR mimetic and is proven to counteract age-related muscle loss. Therefore, we tested whether rapamycin acts via similar mechanisms as CR to slow muscle aging. Here we show that long-term CR and rapamycin unexpectedly display distinct gene expression profiles in geriatric mouse skeletal muscle, despite both benefiting aging muscles. Furthermore, CR improves muscle integrity in mice with nutrient-insensitive, sustained muscle mTORC1 activity and rapamycin provides additive benefits to CR in naturally aging mouse muscles. We conclude that rapamycin and CR exert distinct, compounding effects in aging skeletal muscle, thus opening the possibility of parallel interventions to counteract muscle aging.

Abstract As global life expectancy continues to climb, maintaining skeletal muscle function is increasingly essential to ensure a good life quality for aging populations. Calorie restriction (CR) is the most potent and reproducible intervention to extend health and lifespan, but is largely unachievable in humans. Therefore, identification of “CR mimetics” has received much attention. CR targets nutrient-sensing pathways centering on mTORC1. The mTORC1 inhibitor, rapamycin, has been proposed as a potential CR mimetic and is proven to counteract age-related muscle loss. Therefore, we tested whether rapamycin acts via similar mechanisms as CR to slow muscle aging. Contrary to our expectation, long-term CR and rapamycin-treated geriatric mice display distinct skeletal muscle gene expression profiles despite both conferring benefits to aging skeletal muscle. Furthermore, CR improved muscle integrity in a mouse with nutrient-insensitive sustained muscle mTORC1 activity and rapamycin provided additive benefits to CR in aging mouse muscles. Therefore, RM and CR exert distinct, compounding effects in aging skeletal muscle, opening the possibility of parallel interventions to counteract muscle aging.

Background: The balance between protein synthesis and degradation (proteostasis) is a determining factor for muscle size and function. Signaling via the mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1) regulates proteostasis in skeletal muscle by affecting protein synthesis and autophagosomal protein degradation. Indeed, genetic inactivation of mTORC1 in developing and growing muscle causes atrophy resulting in a lethal myopathy. However, systemic dampening of mTORC1 signaling by its allosteric inhibitor rapamycin is beneficial at the organismal level and increases lifespan. Whether the beneficial effect of rapamycin comes at the expense of muscle mass and function is yet to be established. Methods: We conditionally ablated the gene coding for the mTORC1-essential component raptor in muscle fibers of adult mice (iRAmKO). We performed detailed phenotypic and biochemical analyses of iRAmKO mice and compared them with RAmKO mice, which lack raptor in developing muscle fibers. We also used polysome profiling and proteomics to assess protein translation and associated signaling in skeletal muscle of iRAmKO mice. Results: Analysis at different time points reveal that, as in RAmKO mice, the proportion of oxidative fibers decreases, but slow-type fibers increase in iRAmKO mice. Nevertheless, no significant decrease in body and muscle mass, or muscle fiber area was detected up to 5 months post-raptor depletion. Similarly, ex vivo muscle force was not significantly reduced in iRAmKO mice. Despite stable muscle size and function, inducible raptor depletion significantly reduced the expression of key components of the translation machinery and overall translation rates. Conclusions: Raptor depletion and hence complete inhibition of mTORC1 signaling in fully-grown muscle leads to metabolic and morphological changes without inducing muscle atrophy even after 5 months. Together, our data indicate that maintenance of muscle size does not require mTORC1 signaling, suggesting that rapamycin treatment is unlikely to negatively affect muscle mass and function.

Abstract The neuromuscular junction (NMJ) is the synapse formed between motor neurons and skeletal muscle fibers. Its stability relies on the continued expression of genes in a subset of myonuclei, called NMJ myonuclei. Here, we use single-nuclei RNA-sequencing (snRNA-seq) to identify numerous undescribed NMJ-specific transcripts. To elucidate how the NMJ transcriptome is regulated, we also performed snRNA-seq on sciatic nerve transected, botulinum toxin injected and Musk knockout muscles. These data show that NMJ gene expression is not only driven by agrin-Lrp4/MuSK signaling, but is also affected by electrical activity and trophic factors other than agrin. By selecting three previously undescribed NMJ genes Etv4 , Lrtm1 and Pdzrn4 , we further characterize novel contributors to NMJ stability and function. AAV-mediated overexpression and AAV-CRISPR/Cas9-mediated knockout show that Etv4 is sufficient to upregulate expression of ∼50% of the NMJ genes in non-synaptic myonuclei, while muscle-specific knockout of Pdzrn4 induces NMJ fragmentation. Further investigation of Pdzrn4 revealed that it localizes to the Golgi apparatus and interacts with MuSK protein. Collectively, our data provide a rich resource of NMJ transcripts, highlight the importance of ETS transcription factors at the NMJ and suggest a novel pathway for NMJ post-translational modifications.