Abstract Changes in protein turnover play an important role in dynamic physiological processes, including skeletal muscle regeneration, which occurs as an essential part of tissue repair after injury. The inability of muscle tissue to recapitulate this regenerative process can lead to the manifestation of clinical symptoms in various musculoskeletal diseases, including muscular dystrophies and pathological atrophy. Here, we employed a workflow that couples deuterated water ( 2 H 2 O) administration with mass spectrometry (MS) to systematically measure in-vivo protein turnover rates across the muscle proteome in 8-week-old male C57BL6/J mice. We compared the turnover kinetics of over 100 proteins in response to cardiotoxin (CTX) induced muscle damage and regeneration at unique sequential stages along the regeneration timeline. This analysis is compared to gene expression data from mRNA-sequencing (mRNA-seq) from the same tissue. The data reveals quantitative protein flux signatures in response to necrotic damage, in addition to sequential differences in cell proliferation, energy metabolism, and contractile gene expression. Interestingly, the mRNA changes correlated poorly with changes in protein synthesis rates, consistent with post-transcriptional control mechanisms. In summary, the experiments described here reveal the signatures and timing of protein flux changes during skeletal muscle regeneration, as well as the inability of mRNA expression measurements to reveal changes in directly measured protein turnover rates. The results of this work described here provide a better understanding of the muscle regeneration process and could help to identify potential biomarkers or therapeutic targets.

Abstract The unfolded protein response in the endoplasmic reticulum (UPR ER ) is involved in a number of metabolic diseases, including non-alcoholic fatty liver disease. Here, we characterize the UPR ER induced metabolic changes in mouse liver through in vivo metabolic labeling and mass spectrometric analysis of proteome and lipid fluxes. We induced ER stress in vivo via tunicamycin treatment and measured rates of proteome-wide protein synthesis, de novo lipogenesis and cholesterol synthesis serially over a three-day period, thereby generating a metabolic “signature” of the UPR ER over time. Synthesis of most proteins was suppressed under ER stress conditions, including proteins involved in lipogenesis, consistent with reduced de novo lipogenesis at 48 and 72 hours. Electron microscopy revealed striking morphological changes to ER and H&E staining showed lipid droplet enriched livers under ER stress. Pre-labeling of adipose tissue prior to ER stress induction revealed mobilization of lipids from adipose to the liver. Interestingly, the source of these lipids was uptake of free fatty acids, not whole triglycerides or phospholipids from lipoproteins, as demonstrated by replacement of the triglyceride-glycerol moiety in liver concurrently with increased incorporation of labeled palmitate from adipose. We also induced ER stress by a high-fat diet and observed similar metabolic flux signatures, suggesting that this mechanism may play a role in the progression of fatty liver disease. This flux-based approach provides a powerful tool to identify novel regulators of ER stress and potential targets for pharmacological intervention.

Abstract Age is a risk factor for numerous diseases, including neurodegenerative diseases, cancers, and diabetes. Loss of protein homeostasis is a central hallmark of aging. Activation of the endoplasmic reticulum unfolded protein response (UPR ER ) includes changes in protein translation and membrane lipid synthesis. Using stable isotope labeling, a “signature” of the UPR ER in vivo in mouse liver was developed by inducing ER stress and measuring rates of both proteome-wide translation and de novo lipogenesis. Several changes in protein synthesis across ontologies were noted with age, including a more dramatic suppression of translation under ER stress in aged mice as compared to young mice. Binding immunoglobulin protein (BiP) synthesis rates and mRNA levels were increased more in aged than young mice. De novo lipogenesis rates decreased under ER stress conditions in aged mice, including both triglyceride and phospholipid fractions. In young mice, only a significant reduction was seen in the triglyceride fraction. These data indicate that aged mice have an exaggerated response to ER stress, which may indicate that the aging renders the UPR ER less effective in resolving proteotoxic stress.

The response to acute myotoxic injury requires stimulation of local repair mechanisms in the damaged tissue. However, satellite cells in muscle distant from acute injury have been reported to enter a functional state between quiescence and active proliferation. Here, we asked whether protein flux rates are altered in muscle distant from acute local myotoxic injury and how they compare to changes in gene expression from the same tissue. Broad and significant alterations in protein turnover were observed across the proteome in the limb contralateral to injury during the first 10 days after. Interestingly, mRNA changes had almost no correlation with directly measured protein turnover rates. In summary, we show consistent and striking changes in protein flux rates in muscle tissue contralateral to myotoxic injury, with no correlation between changes in mRNA levels and protein synthesis rates. This work motivates further investigation of the mechanisms, including potential neurological factors, responsible for this distant effect. KEY POINTS: Previous literature demonstrates that stem cells of uninjured muscle respond to local necrotic muscle tissue damage and regeneration. We show that muscle tissue that was distant from a model of local necrotic damage had functional changes at both the gene expression and the protein turnover level. However, these changes in distant tissue were more pronounced during the earlier stages of tissue regeneration and did not correlate well with each other. The results suggest communication between directly injured tissue and non-affected tissues that are distant from injury, which warrants further investigation into the potential of this mechanism as a proactive measure for tissue regeneration from damage.