Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

Abstract As a powerful phenotyping technology, metabolomics provides new opportunities in biomarker discovery through metabolome-wide association studies (MWAS) and identification of metabolites having regulatory effect in various biological processes. While MS-based metabolomics assays are endowed with high-throughput and sensitivity, large-scale MWAS are doomed to long-term data acquisition generating an overtime-analytical signal drift that can hinder the uncovering of true biologically relevant changes. We developed “ dbnorm ”, a package in R environment, which allows visualization and removal of signal heterogeneity from large metabolomics datasets. “ dbnorm ” integrates advanced statistical tools to inspect dataset structure, at both macroscopic (sample batch) and microscopic (metabolic features) scales. To compare model performance on data correction, “ dbnorm ” assigns a score, which allows the straightforward identification of the best fitting model for each dataset. Herein, we show how “ dbnorm ” efficiently removes signal drift among batches to capture the true biological heterogeneity of data in two large-scale metabolomics studies.

Abstract Subcutaneous white adipose tissue (scWAT) is a dynamic storage and secretory organ that regulates systemic homeostasis, yet the impact of endurance exercise training and sex on its molecular landscape has not been fully established. Utilizing an integrative multi-omics approach with data generated by the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), we identified profound sexual dimorphism in the dynamic response of rat scWAT to endurance exercise training. Despite similar cardiorespiratory improvements, only male rats reduced whole-body adiposity, scWAT adipocyte size, and total scWAT triglyceride abundance with training. Multi-omic analyses of adipose tissue integrated with phenotypic measures identified sex-specific training responses including enrichment of mTOR signaling in females, while males displayed enhanced mitochondrial ribosome biogenesis and oxidative metabolism. Overall, this study reinforces our understanding that sex impacts scWAT biology and provides a rich resource to interrogate responses of scWAT to endurance training.

ABSTRACT Inguinal white adipose tissue (iWAT) is essential for the beneficial effects of exercise training on metabolic health. Extracellular matrix (ECM) composition, innervation, and vascularization are all important regulators of iWAT function, yet whether exercise training improves these structural components of iWAT is unknown. Using biochemical, imaging, and multi-omics analyses we find that 11-days of wheel running in male mice causes profound iWAT remodeling including decreased ECM deposition and increased vascularization and innervation. We identify adipose stem cells as the main contributors to training-induced ECM remodeling, determine that training causes a shift from hypertrophic to insulin-sensitive adipocyte subpopulations, show that the PRDM16 transcriptional complex is necessary for iWAT remodeling and beiging, and discover neuronal growth regulator 1 (NEGR1) as a link between PRDM16 and neuritogenesis. Exercise training leads to remarkable adaptations to iWAT structure and cell-type composition that can confer beneficial changes in tissue metabolism. Graphical Abstract

Exercise training and cold exposure both improve systemic metabolism, but the mechanisms are not well-established. We tested the hypothesis that adaptations to inguinal white adipose tissue (iWAT) are critical for these beneficial effects by determining the impact of exercise-trained and cold-exposed iWAT on systemic glucose metabolism and the iWAT proteome and secretome. Transplanting trained iWAT into sedentary mice improved glucose tolerance, while cold-exposed iWAT transplantation showed no such benefit. Compared to training, cold led to more pronounced alterations in the iWAT proteome and secretome, downregulating >2,000 proteins but also boosting iWAT9s thermogenic capacity. In contrast, only training increased extracellular space and vesicle transport proteins, and only training upregulated proteins that correlate with favorable fasting glucose, suggesting fundamental changes in trained iWAT that mediate tissue-to-tissue communication. This study defines the unique exercise training- and cold exposure-induced iWAT proteomes, revealing distinct mechanisms for the beneficial effects of these interventions on metabolic health.