Background —A reduction in compliance of the large-sized cardiothoracic (central) arteries is an independent risk factor for the development of cardiovascular disease with advancing age. Methods and Results —We determined the role of habitual exercise on the age-related decrease in central arterial compliance by using both cross-sectional and interventional approaches. First, we studied 151 healthy men aged 18 to 77 years: 54 were sedentary, 45 were recreationally active, and 53 were endurance exercise–trained. Central arterial compliance (simultaneous B-mode ultrasound and arterial applanation tonometry on the common carotid artery) was lower ( P <0.05) in middle-aged and older men than in young men in all 3 groups. There were no significant differences between sedentary and recreationally active men at any age. However, arterial compliance in the endurance-trained middle-aged and older men was 20% to 35% higher than in the 2 less active groups ( P <0.01). As such, age-related differences in central arterial compliance were smaller in the endurance-trained men than in the sedentary and recreationally active men. Second, we studied 20 middle-aged and older (53±2 years) sedentary healthy men before and after a 3-month aerobic exercise intervention (primarily walking). Regular exercise increased central arterial compliance ( P <0.01) to levels similar to those of the middle-aged and older endurance-trained men. These effects were independent of changes in body mass, adiposity, arterial blood pressure, or maximal oxygen consumption. Conclusions —Regular aerobic-endurance exercise attenuates age-related reductions in central arterial compliance and restores levels in previously sedentary healthy middle-aged and older men. This may be one mechanism by which habitual exercise lowers the risk of cardiovascular disease in this population.

Background —In sedentary humans endothelium-dependent vasodilation is impaired with advancing age contributing to their increased cardiovascular risk, whereas endurance-trained adults demonstrate lower age-related risk. We determined the influence of regular aerobic exercise on the age-related decline in endothelium-dependent vasodilation. Methods and Results —In a cross-sectional study, 68 healthy men 22 to 35 or 50 to 76 years of age who were either sedentary or endurance exercise–trained were studied. Forearm blood flow (FBF) responses to intra-arterial infusions of acetylcholine and sodium nitroprusside were measured by strain-gauge plethysmography. Among the sedentary men, the maximum FBF response to acetylcholine was 25% lower in the middle aged and older compared with the young group ( P <0.01). In contrast, there was no age-related difference in the vasodilatory response to acetylcholine among the endurance-trained men. FBF at the highest acetylcholine dose was almost identical in the middle aged and older (17.3±1.3 mL/100 mL tissue per minute) and young (17.7±1.4 mL/100 mL tissue per minute) endurance-trained groups. There were no differences in the FBF responses to sodium nitroprusside among the sedentary and endurance- trained groups. In an exercise intervention study, 13 previously sedentary middle aged and older healthy men completed a 3-month, home-based aerobic exercise intervention (primarily walking). After the exercise intervention, acetylcholine-mediated vasodilation increased ≈30% ( P <0.01) to levels similar to those in young adults and middle aged and older endurance-trained men. Conclusions —Our results indicate that regular aerobic exercise can prevent the age-associated loss in endothelium-dependent vasodilation and restore levels in previously sedentary middle aged and older healthy men. This may represent an important mechanism by which regular aerobic exercise lowers the risk of cardiovascular disease in this population.

Abstract Expression of one out of >1000 olfactory receptor (OR) genes is stochastic but, yet, spatially organized in stereotypic anatomical segments, or “zones”, along the dorsoventral axis of the mouse olfactory epithelium. We discovered that zonal OR expression is specified by OR chromatin structure and genome architecture during olfactory neuron differentiation. Specifically, across every zone dorsally expressed ORs have higher levels of heterochromatic marks and long-range contacts than ORs expressed ventrally. However, OR heterochromatin levels and frequency of genomic contacts between ORs gradually increase towards ventral zones. Consequently, ORs from dorsal indexes accumulate high H3K9me3/H3K79me3 enrichment and become silenced in ventral zones, while ORs from ventral indexes lack activating long-range genomic interactions and, thus, cannot be chosen in dorsal segments. This process is regulated by NFIA, B, and X gradients along the dorsoventral axis, triple deletion of which causes homeotic transformations on zonal OR expression, heterochromatin formation, and genomic compartmentalization.

The monogenic and monoallelic expression of only one out of >1000 olfactory receptor (ORs) genes requires the formation of large heterochromatic chromatin domains that sequester the OR gene clusters. Within these domains, intergenic transcriptional enhancers evade heterochromatic silencing and converge into interchromosomal hubs that assemble over the transcriptionally active OR. The significance of this nuclear organization in OR choice remains elusive. Here, we show that transcription factors Lhx2 and Ebf specify OR enhancers by binding in a functionally cooperative fashion to stereotypically spaced motifs that defy heterochromatin. Specific displacement of Lhx2 and Ebf from OR enhancers resulted in pervasive, long-range, and trans downregulation of OR transcription, whereas pre-assembly of a multi-enhancer hub increased the frequency of OR choice in cis. Our data provide genetic support for the requirement and sufficiency of interchromosomal interactions in singular OR choice and generate general regulatory principles for stochastic, mutually exclusive gene expression programs.

The eukaryotic genome is partitioned into topologically associated domains (TADs) that assemble into compartments of shared chromatin valance. This architecture is influenced by the physical constraints imposed by the DNA polymer, which restricts DNA interactions predominantly to genomic segments from the same chromosome. Here, we report a dramatic divergence from this pattern of nuclear organization that occurs during the differentiation and specification of mouse olfactory sensory neurons (OSNs). In situ HiC on FAC-sorted OSNs shows that olfactory receptor (OR) genes from numerous chromosomes make frequent, extensive, and highly specific interchromosomal contacts that strengthen with differentiation. Moreover, in terminally differentiated OSNs, >30 intergenic enhancers generate a multi-chromosomal hub that associates only with the single active OR from a pool of ~1400 genes. Our data reveal that interchromosomal interactions can form with remarkable stereotypy between like neurons, generating a regulatory landscape for stochastic, monogenic, and monoallelic gene expression.

Olfactory receptor (OR) choice represents an example of genetically hardwired stochasticity, where every olfactory neuron expresses one out of ~2000 OR alleles in a probabilistic, yet stereotypic fashion. Here, we show that topographic restrictions in OR expression are established in neuronal progenitors by two opposing forces: polygenic transcription and genomic silencing, both of which are influenced by dorsoventral gradients of transcription factors NFIA, B, and X. Polygenic transcription defines spatially constrained OR repertoires, among which one OR allele may be selected for singular expression later in development. Heterochromatin assembly and genomic compartmentalization preferentially eliminate from this “privileged” repertoire ORs with more dorsal expression destinations, which are ectopically transcribed in neuronal progenitors throughout the olfactory epithelium. Our experiments identify early transcription as an “epigenetic” contributor to future developmental patterning and reveal how two spatially responsive probabilistic processes act in concert to establish deterministic, precise, and reproducible territories of stochastic gene expression.

Abstract Neuronal connectivity is essential for adaptive brain responses and can be modulated by dendritic spine plasticity and the intrinsic excitability of individual neurons. Dysregulation of these processes can lead to aberrant neuronal activity, which has been associated with numerous neurological disorders including autism, epilepsy, and Alzheimer’s disease. Nonetheless, the molecular mechanisms underlying aberrant neuronal connectivity remains unclear. We previously found that the serine/threonine kinase Microtubule Affinity Regulating Kinase 2 (MARK2), also known as Partitioning Defective 1b (Par1b), is important for the formation of dendritic spines in vitro. However, despite its genetic association with several neurological disorders, the in vivo impact of MARK2 on neuronal connectivity and cognitive functions remains unclear. Here, we demonstrate that loss of MARK2 in vivo results in changes to dendritic spine morphology, which in turn leads to a decrease in excitatory synaptic transmission. Additionally, loss of MARK2 produces substantial impairments in learning and memory, anxiety, and social behavior. Notably, MARK2 deficiency results in heightened seizure susceptibility. Consistent with this observation, RNAseq analysis reveals transcriptional changes in genes regulating synaptic transmission and ion homeostasis. These findings underscore the in vivo role of MARK2 in governing synaptic connectivity, cognitive functions, and seizure susceptibility.

Singular olfactory receptor (OR) gene expression coincides with the formation of a multi-chromosomal enhancer hub that associates with the only transcribed OR allele in each cell. This hub consists of converging transcriptional enhancers, or Greek Islands, defined by stereotypic binding of Lhx2 and Ebf on a shared, composite DNA motif. How this multi-chromosomal hub, or any other genomic compartment, assembles is unknown, and so is the significance of compartmentalization in transcription. Here, we report that LIM domain binding protein 1 (Ldb1), which is recruited by Lhx2 and Ebf to Greek Islands, promotes robust and specific trans interactions between these enhancers. In addition to disrupting Greek Island hubs, Ldb1 deletion also causes significant downregulation of OR transcription. Thus, our data provide insight to the formation of genomic compartments, confirm the essential role of interchromosomal interactions in OR gene choice, and establish trans enhancement as a mechanism for mammalian gene activation.