ABSTRACT Background COPD patients exhibit skeletal muscle atrophy, denervation, and reduced mitochondrial oxidative capacity. Whilst chronic tobacco smoke exposure is implicated in COPD muscle impairment, the mechanisms involved are ambiguous. The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand-activated transcription factor that activates detoxifying pathways with numerous exogenous ligands, including tobacco smoke. Whereas transient AHR activation is adaptive, chronic activation can be toxic. On this basis, we tested the hypothesis that chronic smoke-induced AHR activation causes adverse muscle impact. Methods We used clinical patient muscle samples, and in vitro (C2C12 myotubes) and in vivo models (mouse), to perform gene expression, mitochondrial function, muscle and neuromuscular junction morphology, and genetic manipulations (adeno-associated virus-mediated gene transfer). Results 16 weeks tobacco smoke exposure in mice caused: muscle atrophy, neuromuscular junction degeneration, and reduced oxidative capacity. Similarly, smoke exposure reprogrammed the muscle transcriptome, with down-regulation of mitochondrial and neuromuscular junction genes. In mouse and human patient specimens, smoke exposure increased muscle AHR signaling. Mechanistically, experiments in cultured myotubes demonstrated that smoke condensate activated the AHR, caused mitochondrial impairments, and induced an AHR-dependent myotube atrophy. Finally, to isolate the role of AHR activity, expression of a constitutively active AHR mutant without smoke exposure caused atrophy and mitochondrial impairments in cultured myotubes, and muscle atrophy and neuromuscular junction degeneration in mice. Conclusions These results establish that chronic AHR activity, as occurs in smokers, phenocopies the atrophy, mitochondrial impairment and neuromuscular junction degeneration caused by chronic tobacco smoke exposure.

Abstract Septic patients frequently develop skeletal muscle wasting and weakness, resulting in severe clinical consequences and adverse outcomes. Autophagy is a stress-induced degradative process essential to cell survival. Recent studies have demonstrated that sepsis triggers sustained induction of autophagy in skeletal muscles, although the impact of this enhanced autophagy on sepsis-induced muscle dysfunction remains unclear. Atg7 is an autophagy gene that plays a major role in autophagosome formation. Using an inducible and muscle-specific Atg7 knockout mouse model (Atg7 iSkM-KO ), we investigated the functional importance of skeletal muscle autophagy in sepsis. Sepsis was induced using cecal ligation and perforation (CLP) with a sham operation serving as a control. Atg7 iSkM-KO mice exhibited a more severe phenotype in response to sepsis, marked by severe muscle wasting and contractile dysfunction, hypoglycemia, higher ketone levels and a decreased in survival as compared to mice with intact Atg7 . Several genes that encode 26S proteasome subunits were upregulated, suggesting that activation of the ubiquitin-proteasome system is responsible for the severe muscle atrophy that was seen in these mice. Sepsis and Atg7 deletion resulted in the accumulation of mitochondrial dysfunction, although sepsis did not further worsen mitochondrial dysfunction in Atg7 iSkM-KO mice. Overall, our study demonstrates that autophagy inactivation in skeletal muscles triggers significant worsening of sepsis-induced contractile and metabolic dysfunctions and negatively impacts survival. Induction of autophagy in skeletal muscles in response to sepsis thus represents a protective mechanism.