During aging, the levels of fibronectin in the muscle stem cell niche decline, contributing to age-related frailty, and supplementation restores youth-like muscle regeneration in mice. Age-related changes in the niche have long been postulated to impair the function of somatic stem cells. Here we demonstrate that the aged stem cell niche in skeletal muscle contains substantially reduced levels of fibronectin (FN), leading to detrimental consequences for the function and maintenance of muscle stem cells (MuSCs). Deletion of the gene encoding FN from young regenerating muscles replicates the aging phenotype and leads to a loss of MuSC numbers. By using an extracellular matrix (ECM) library screen and pathway profiling, we characterize FN as a preferred adhesion substrate for MuSCs and demonstrate that integrin-mediated signaling through focal adhesion kinase and the p38 mitogen-activated protein kinase pathway is strongly de-regulated in MuSCs from aged mice because of insufficient attachment to the niche. Reconstitution of FN levels in the aged niche remobilizes stem cells and restores youth-like muscle regeneration. Taken together, we identify the loss of stem cell adhesion to FN in the niche ECM as a previously unknown aging mechanism.

Research on age-related regenerative failure of skeletal muscle has extensively focused on the phenotypes of muscle stem cells (MuSCs). In contrast, the impact of aging on regulatory cells in the MuSC niche remains largely unexplored. Here, we demonstrate that aging impairs the function of mouse fibro-adipogenic progenitors (FAPs) and thereby indirectly affects the myogenic potential of MuSCs. Using transcriptomic profiling, we identify WNT1 Inducible Signaling Pathway Protein 1 (WISP1) as a FAP-derived matricellular signal that is lost during aging. WISP1 is required for efficient muscle regeneration and controls the expansion and asymmetric commitment of MuSCs through Akt signaling. Transplantation of young FAPs or systemic treatment with WISP1 restores the myogenic capacity of MuSCs in aged mice and rescues skeletal muscle regeneration. Our work establishes that loss of WISP1 from FAPs contributes to MuSC dysfunction in aged skeletal muscles and demonstrates that this mechanism can be targeted to rejuvenate myogenesis.

Summary Increasing evidence suggests heterogeneity in the muscle stem cell (MuSC) pool. In particular, a rare subset of Pax7 positive MuSCs that has never expressed the myogenic regulatory factor Myf5 has enhanced self-renewal and engraftment characteristics. However, the scarcity and limited availability of protein markers make the characterization of these cells challenging. We describe the generation of StemRep reporter mice allowing to monitor Pax7 and Myf5 protein based on equimolar levels of dual nuclear fluorescence. High levels of Pax7 protein and low levels of Myf5 delineate a deeply quiescent MuSC subpopulation with distinct molecular signatures and dynamics of activation, proliferation, and commitment. Aging decreases the number of these cells, and skews the MuSC pool towards Myf5- High cells with impaired quiescence. Altogether, we describe a novel deeply quiescent MuSC subpopulation whose maintenance is impaired in old muscles, and establish the StemRep line as a versatile tool to study quiescence and MuSC heterogeneity.

SUMMARY Mitochondrial calcium (mtCa 2+ ) uptake via the Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU) couples the regulation of calcium homeostasis to energy production. mtCa 2+ uptake is rate-limiting for mitochondrial activation during muscle contraction, but how MCU is affected during physiopathology and whether it can be stimulated therapeutically remains largely uncharacterized. By profiling human and preclinical aging of skeletal muscle, we discovered a conserved down-regulation of MCUR1 during aging that decreases mtCa 2+ uptake and drives sarcopenia. Through a screen of 5000 bioactive nutrients, we identify the natural polyphenol Oleuropein as a specific MCU activator that stimulates mitochondrial respiration via binding to MICU1. Oleuropein activates mtCa 2+ uptake and oxidative energy metabolism to enhance endurance and limit fatigue in vivo both in young and aged. These effects of Oleuropein are mediated by an MCU-dependent mechanism in skeletal muscle as they are lost upon muscle-specific MCU KO. Our work demonstrates that impaired mtCa 2+ uptake causes mitochondrial dysfunction during aging and establishes Oleuropein as a novel nutrient that specifically targets MCU to stimulate mitochondrial bioenergetics and muscle performance.

Increasing evidence suggests that the muscle stem cell (MuSC) pool is heterogeneous. In particular, a rare subset of PAX7-positive MuSCs that has never expressed the myogenic regulatory factor MYF5 displays unique self-renewal and engraftment characteristics. However, the scarcity and limited availability of protein markers make the characterization of these cells challenging. Here, we describe the generation of StemRep reporter mice enabling the monitoring of PAX7 and MYF5 proteins based on equimolar levels of dual nuclear fluorescence. High levels of PAX7 protein and low levels of MYF5 delineate a deeply quiescent MuSC subpopulation with an increased capacity for asymmetric division and distinct dynamics of activation, proliferation, and commitment. Aging primarily reduces the MYF5Low MuSCs and skews the stem cell pool toward MYF5High cells with lower quiescence and self-renewal potential. Altogether, we establish the StemRep model as a versatile tool to study MuSC heterogeneity and broaden our understanding of mechanisms regulating MuSC quiescence and self-renewal in homeostatic, regenerating, and aged muscles.