ABSTRACT Background The role of Numb, a protein that is important for cell fate and development was investigated in adult skeletal muscle in mice using a conditional, inducible knockout (cKO) model. Methods Numb expression was evaluated by Western blot. Numb localization was determined by confocal microscopy. The effects of cKO of Numb and the closely-related gene Numb-like in skeletal muscle fibers was evaluated by in-situ physiology; transmission and focused ion beam scanning electron microscopy; 3-dimensional reconstruction of mitochondrial; lipidomics; and bulk RNA-sequencing. Additional studies using primary mouse myotubes investigated the effects the effects of Numb knockdown on cell fusion, mitochondrial function and calcium transients. Results Numb protein expression was reduced by ∼70% (p < 0.01) at 24 as compared to 3 months of age. Numb was localized within muscle fibers as bands traversing fibers at regularly spaced intervals in close proximity to dihydropyridine receptors. The cKO of Numb and Numb-like reduced specific tetanic force by 36%, p < 0.01), altered mitochondrial spatial relationships to sarcomeric structures, increased Z-line spacing by 30% (p < 0.0001), perturbed sarcoplasmic reticulum organization and reduced mitochondrial volume by over 80% (p < 0.01). Only six genes were differentially expressed in cKO mice: Itga4, Sema7a, Irgm2, Vezf1, Mib1 and Tmem132a . Several lipid mediators derived from polyunsaturated fatty acid (PUFAs) through lipoxygenases were upregulated in Numb cKO skeletal muscle; 12-HEPE was increased by ∼250% (p < 0.05) and 17,18-EpETE by ∼240% (p < 0.05). In mouse primary myotubes, Numb knock-down reduced cell fusion (∼20%, p < 0.01) and mitochondrial function and delayed the caffeine-induced rise in cytosolic calcium concentrations by more than 100% (p < 0.01). Conclusions These findings implicate Numb as a critical factor in skeletal muscle structure and function which appear to be critical for calcium release; we therefore speculate Numb plays critical roles in excitation-contraction coupling, one of the putative targets of aged skeletal muscles. These findings provide new insights into the molecular underpinnings of the loss of muscle function observed with sarcopenia.

Abstract Spinal cord injury (SCI) results in dysregulation of carbohydrate and lipid metabolism; the underlying cellular and physiological mechanisms remain unclear. Fibroblast growth factor 21 (FGF21) is a circulating protein primarily secreted by the liver that lowers blood glucose levels, corrects abnormal lipid profiles, and mitigates non-alcoholic fatty liver disease. FGF21 acts via activating FGF receptor 1 and ß-klotho in adipose tissue and stimulating release of adiponectin from adipose tissue which in turn signals in the liver and skeletal muscle. We examined FGF21/adiponectin signaling after spinal cord transection in mice fed a high fat diet (HFD) or a standard mouse chow. Tissues were collected at 84 days after spinal cord transection or a sham SCI surgery. SCI reduced serum FGF21 levels and hepatic FGF21 expression, as well as β-klotho and FGF receptor-1 (FGFR1) mRNA expression in adipose tissue. SCI also reduced serum levels and adipose tissue mRNA expression of adiponectin and leptin, two major adipokines. In addition, SCI suppressed hepatic type 2 adiponectin receptor (AdipoR2) mRNA expression and PPARα activation in the liver. Post-SCI mice fed a HFD had further suppression of serum FGF21 levels and hepatic FGF21 expression. Elevated serum free fatty acid (FFA) levels after HFD feeding were observed in post-SCI mice but not in shammice, suggesting defective FFA uptake after SCI. Moreover, after SCI several genes that are implicated in insulin’s action had reduced expression in tissues of interest. These findings suggest that downregulated FGF21/adiponectin signaling and impaired responsiveness of adipose tissues to FGF21 may, at least in part, contribute to the overall picture of metabolic dysfunction after SCI.

Laparotomy (EL) is one of the most common procedures performed among surgical specialties. Previous research demonstrates that surgery is associated with an increased inflammatory response. Low psoas muscle mass and quality markers are associated with increased mortality rates after emergency laparotomy. Analysis of lipid mediators in serum and muscle by using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS)-based lipidomics has proven to be a sensitive and precise technique. In this chapter, we describe an LC-MS/MS protocol for the profiling and quantification of signaling lipids formed from Eicosapentaenoic Acid (EPA) and Eicosatetranoic acid (ETA) by 5, 12, or 15 lipoxynases. This protocol has been developed for and validated in serum and muscle samples in a mouse model of surgical stress caused by laparotomy.

Abstract Traumatic spinal cord injury (SCI) results in wide-ranging cellular and systemic dysfunction in the acute and chronic time frames after the injury. Chronic SCI has well-described secondary medical consequences while acute SCI has unique metabolic challenges as a result of physical trauma, in-patient recovery and other post-operative outcomes. Here, we used high resolution mass spectrometry approaches to describe the circulating lipidomic and metabolomic signatures using blood serum from mice 7 d after a complete SCI. Additionally, we probed whether the aporphine alkaloid, boldine, was able to prevent SCI-induced changes observed using these ‘omics platforms. We found that SCI resulted in large-scale changes to the circulating lipidome but minimal changes in the metabolome, with boldine able to reverse or attenuate SCI-induced changes in the abundance of 50 lipids. Multiomic integration using xMWAS demonstrated unique network structures and community memberships across the groups.

Abstract Introduction Neurons transport mRNA and translational machinery to axons for local translation. After spinal cord injury (SCI), de novo translation is assumed to enable neurorepair. Knowledge of the identity of axonal mRNAs that participate in neurorepair after SCI is limited. We sought to identify and understand how axonal RNAs play a role in axonal regeneration. Methods We obtained preparations enriched in axonal mRNAs from control and SCI rats by digesting spinal cord tissue with cold-active protease (CAP). The digested samples were then centrifuged to obtain a supernatant that were then sequenced. We used bioinformatics analyses to identify DEGS and map them to various biological processes. We validated the DEGs by RT-qPCR and RNA-scope. Results The supernatant fraction was highly enriched for axonal mRNA. Using Gene Ontology, the second most significant pathway for all differentially expressed genes (DEGs) was axonogenesis. Among the DEGs was Rims2, which is predominately a circular RNA (circRNA) in the CNS. We show that Rims2 RNA within spinal cord axons is circular. We found an additional 200 putative circRNAs in the axonal-enriched fraction. Knockdown in primary rat cortical neurons of the RNA editing enzyme ADAR1, which inhibits formation of circRNAs, significantly increased axonal outgrowth. Focusing on Rims2 we used Circular RNA Interactome to predict that several of the miRNAs that bind to circRims2 also bind to the 3’UTR of GAP-43, PTEN or CREB1, all known regulators of axonal outgrowth. Axonally-translated GAP-43 supports axonal elongation and we detect GAP-43 mRNA in the rat axons by RNAscope. Discussion By using our method for enrichment of axonal RNA, we detect SCI induced DEGs, including circRNA such as Rims2. Ablation of ADAR1, the enzyme that regulates circRNA formation, promotes axonal outgrowth of cortical neurons. We developed a pathway model using Circular RNA Interactome that indicates that Rims2 through miRNAs can regulate the axonal translation GAP-43 a known regulator of axonal regeneration indicating that axonal mRNA contribute to regeneration.

Spinal cord injury (SCI) results in severe atrophy of skeletal muscle in paralyzed regions, and a decrease in the force generated by muscle per unit of cross-sectional area. Oxidation of skeletal muscle ryanodine 1 receptors (RyR1) reduces contractile force due to reduced binding of calstabin 1 to RyR1 together with altered gating of RyR1. One cause of RyR1 oxidation is NADPH oxidase 4 (Nox4). We have previously shown that in rats, RyR1 was oxidized and bound less calstabin 1 at 56 days after spinal cord injury (SCI) by transection. Here, we used a conditional knock-out mouse model of Nox4 in muscle to investigate the role of Nox4 in reduced muscle specific force after SCI. Peak twitch force in control mice after SCI was reduced by 42% compared to sham-operated controls but was increased by approximately 43% in SCI Nox4 conditional KO mice compared to SCI controls although it remained less than that for sham-operated controls. Unlike what observed in rats, after SCI the expression of Nox4 was not increased in gastrocnemius muscle and binding of calstabin 1 to RyR1 was not reduced in this muscle. The results suggest a link between Nox4 expression in muscle tissue and reduction in muscle twitch force, however further studies are needed to understand the mechanistic basis for this linkage.

Abstract This study aimed to characterize the effects of laparotomy on post-operative physical function and skeletal muscle gene expression in C57BL/6N mice at 3, 20 and 24 months of age to investigate late-life vulnerability and resiliency to acute surgical stress. Pre- and post-operative physical functioning were assessed by forelimb grip strength and motor coordination. Laparotomy induced an age-associated post-operative decline in forelimb grip strength that was greatest in the oldest mice. In contrast, while motor coordination declined with increasing age at baseline, it was unaffected by laparotomy. Moreover, baseline physical function as stratified by motor coordination performance (low vs. high functioning) in 24-month-old mice did not differentially affect post-laparotomy reduction in grip strength. RNA sequencing of soleus muscles showed that laparotomy induced age-associated differential gene expression and canonical pathway activation with the greatest effects in the youngest mice. Examples of such age-associated, metabolically important pathways that were only activated in the youngest mice after laparotomy included oxidative phosphorylation and NRF2-mediated oxidative stress response. Analysis of lipid mediators in serum and gastrocnemius muscle showed alterations in profiles of these mediators during aging and confirmed an association between such changes and functional status in gastrocnemius muscle. These findings demonstrate a mouse model of laparotomy which recapitulated some features of post-operative skeletal muscle decline in older adults following surgery, and identified age-associated, laparotomy-induced molecular signatures in skeletal muscles. Future research can build upon this mouse model to study molecular mechanisms of late-life vulnerability to acute surgical stress and resiliency to counter surgery-induced physical decline.