Abstract Muscle energetics reflects the ability of myosin motors to convert chemical energy into mechanical energy. How this process takes place remains one of the most elusive questions in the field. Here we combined experimental measurements of in vitro sliding velocity based on DNA-origami built filaments carrying myosins with different lever arm length and simulations based on a Monte-Carlo model which accounts for three basic components: (i) the geometrical hindrance, (ii) the mechano-sensing mechanism, and (iii) the biased kinetics for stretched or compressed motors. The model simulations showed that the geometrical hindrance due to acto-myosin spatial mismatching and the preferential detachment of compressed motors are synergic in generating the rapid increase in the ATP-ase rate from isometric to moderate velocities of contraction, thus acting as an energy-conservation strategy in muscle contraction. The velocity measurements on a DNA-origami filament that preserves the motors’ distribution showed that geometrical hindrance and biased detachment generate a non-zero sliding velocity even without rotation of the myosin lever-arm, which is widely recognized as the basic event in muscle contraction. Because biased detachment is a mechanism for the rectification of thermal fluctuations, in the Brownian-ratchet framework, we predict that it requires a non-negligible amount of energy to preserve the second law of thermodynamics. Taken together, our theoretical and experimental results elucidate non-conventional components in the chemo-mechanical energy transduction in muscle.

Spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA) is caused by polyglutamine (polyQ) expansions in the androgen receptor (AR) gene. Although clinical and experimental evidence highlight a primary role for skeletal muscle in the onset, progression, and outcome of disease, the pathophysiological and molecular processes underlying SBMA muscle atrophy are poorly understood. Here we show that polyQ-expanded AR alters intrinsic muscle force generation before denervation. Reduced muscle force was associated with a switch in fiber-type composition, disrupted muscle striation, altered calcium (Ca++) dynamics in response to muscle contraction, and aberrant expression of excitation-contraction coupling (ECC) machinery genes in transgenic, knock-in and inducible SBMA mice and patients. Importantly, treatment to suppress polyQ-expanded AR toxicity restored ECC gene expression back to normal. Suppression of AR activation by surgical castration elicited similar ECC gene expression changes in normal mice, suggesting that AR regulates the expression of these genes in physiological conditions. Bioinformatic analysis revealed the presence of androgen-responsive elements on several genes involved in muscle function and homeostasis, and experimental evidence showed AR-dependent regulation of expression and promoter occupancy of the most up-regulated gene from transcriptomic analysis in SBMA muscle, i.e. sarcolipin, a key ECC gene. These observations reveal an unpredicted role for AR in the regulation of expression of genes involved in muscle contraction and Ca++ dynamics, a level of muscle function regulation that is disrupted in SBMA muscle, yet restored by pharmacologic treatment.

Abstract Hibernating brown bears, due to a drastic reduction in metabolic rate, show only moderate muscle wasting. Here, we evaluate if ATPase activity of resting skeletal muscle myosin can contribute to this energy sparing. By analyzing single muscle fibers taken from the same bears, either during hibernation or in summer, we find that fibers from hibernating bears have a mild decline in force production and a significant reduction in ATPase activity. Single fiber proteomics, western blotting, and immunohistochemical analyses reveal major remodeling of the mitochondrial proteome during hibernation. Furthermore, using bioinformatical approaches and western blotting we find that phosphorylated myosin light chain, a known stimulator of basal myosin ATPase activity, is decreased in hibernating and disused muscles. These results suggest that skeletal muscle limits energy loss by reducing myosin ATPase activity, indicating a possible role for myosin ATPase activity modulation in multiple muscle wasting conditions.