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 Myotonic Dystrophy type I (DM1) is the most common muscular dystrophy in adults. Previous reports have highlighted that neuromuscular junctions (NMJs) deteriorate in skeletal muscle from DM1 patients and mouse models thereof. However, the underlying pathomechanisms and their contribution to muscle dysfunction remain unknown. We compared changes in NMJs and activity-dependent signalling pathways in HSA LR and Mbnl1 ΔE3/ΔE3 mice, two established mouse models for DM1. DM1 muscle showed major deregulation of calcium/calmodulin-dependent protein kinases II (CaMKIIs), which are key activity sensors regulating synaptic gene expression and acetylcholine receptor (AChR) recycling at the NMJ. Both mouse models displayed increased fragmentation of the endplate, which preceded muscle degeneration. Endplate fragmentation was not accompanied by changes in AChR turnover at the NMJ. However, expression of synaptic genes was up-regulated in DM1 muscle, which may be linked to the abnormally high activity of histone deacetylase 4 (HDAC4), a known target of CaMKII. Consistently, expression of myosin heavy chains was deregulated as well, leading to a major switch to type IIA fibres in Mbnl1 ΔE3/ΔE3 muscle, and to a lesser extent in HSA LR muscle. Interestingly, although HDAC4 was efficiently induced upon nerve injury, synaptic gene up-regulation was abrogated in DM1 muscle, together with a reduced increase in AChR turnover. This suggested that HDAC4-independent mechanisms lead to the defective response to denervation in DM1 muscle. Our study shows that activity-dependent signalling pathways are disturbed in DM1 muscle, which may contribute to NMJ destabilization and muscle dysfunction in DM1 patients.