Exercise promotes functional improvements in aged tissues, but the extent to which it simulates partial molecular reprogramming is unknown. Using transcriptome profiling from (1) a skeletal muscle-specific in vivo Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) reprogramming-factor expression murine model; (2) an in vivo inducible muscle-specific Myc induction murine model; (3) a translatable high-volume hypertrophic exercise training approach in aged mice; and (4) human exercise muscle biopsies, we collectively defined exercise-induced genes that are common to partial reprogramming. Late-life exercise training lowered murine DNA methylation age according to several contemporary muscle-specific clocks. A comparison of the murine soleus transcriptome after late-life exercise training to the soleus transcriptome after OKSM induction revealed an overlapping signature that included higher JunB and Sun1. Also, within this signature, downregulation of specific mitochondrial and muscle-enriched genes was conserved in skeletal muscle of long-term exercise-trained humans; among these was muscle-specific Abra/Stars. Myc is the OKSM factor most induced by exercise in muscle and was elevated following exercise training in aged mice. A pulse of MYC rewired the global soleus muscle methylome, and the transcriptome after a MYC pulse partially recapitulated OKSM induction. A common signature also emerged in the murine MYC-controlled and exercise adaptation transcriptomes, including lower muscle-specific Melusin and reactive oxygen species-associated Romo1. With Myc, OKSM and exercise training in mice, as well habitual exercise in humans, the complex I accessory subunit Ndufb11 was lower; low Ndufb11 is linked to longevity in rodents. Collectively, exercise shares similarities with genetic in vivo partial reprogramming. KEY POINTS: Advances in the last decade related to cellular epigenetic reprogramming (e.g. DNA methylome remodelling) toward a pluripotent state via the Yamanaka transcription factors Oct3/4, Klf4, Sox2 and Myc (OKSM) provide a window into potential mechanisms for combatting the deleterious effects of cellular ageing. Using global gene expression analysis, we compared the effects of in vivo OKSM-mediated partial reprogramming in skeletal muscle fibres of mice to the effects of late-life murine exercise training in muscle. Myc is the Yamanaka factor most induced by exercise in skeletal muscle, and so we compared the MYC-controlled transcriptome in muscle to Yamanaka factor-mediated and exercise adaptation mRNA landscapes in mice and humans. A single pulse of MYC is sufficient to remodel the muscle methylome. We identify partial reprogramming-associated genes that are innately altered by exercise training and conserved in humans, and propose that MYC contributes to some of these responses.

Exercise is a potent stimulus for combatting skeletal muscle ageing. To study the effects of exercise on muscle in a preclinical setting, we developed a combined endurance-resistance training stimulus for mice called progressive weighted wheel running (PoWeR). PoWeR improves molecular, biochemical, cellular and functional characteristics of skeletal muscle and promotes aspects of partial epigenetic reprogramming when performed late in life (22-24 months of age). In this investigation, we leveraged pan-mammalian DNA methylome arrays and tandem mass-spectrometry proteomics in skeletal muscle to provide detailed information on late-life PoWeR adaptations in female mice relative to age-matched sedentary controls (n = 7-10 per group). Differential CpG methylation at conserved promoter sites was related to transcriptional regulation genes as well as Nr4a3, Hes1 and Hox genes after PoWeR. Using a holistic method of -omics integration called binding and expression target analysis (BETA), methylome changes were associated with upregulated proteins related to global and mitochondrial translation after PoWeR (P = 0.03). Specifically, BETA implicated methylation control of ribosomal, mitoribosomal, and mitochondrial complex I protein abundance after training. DNA methylation may also influence LACTB, MIB1 and UBR4 protein induction with exercise - all are mechanistically linked to muscle health. Computational cistrome analysis predicted several transcription factors including MYC as regulators of the exercise trained methylome-proteome landscape, corroborating prior late-life PoWeR transcriptome data. Correlating the proteome to muscle mass and fatigue resistance revealed positive relationships with VPS13A and NPL levels, respectively. Our findings expose differential epigenetic and proteomic adaptations associated with translational regulation after PoWeR that could influence skeletal muscle mass and function in aged mice. KEY POINTS: Late-life combined endurance-resistance exercise training from 22-24 months of age in mice is shown to improve molecular, biochemical, cellular and in vivo functional characteristics of skeletal muscle and promote aspects of partial epigenetic reprogramming and epigenetic age mitigation. Integration of DNA CpG 36k methylation arrays using conserved sites (which also contain methylation ageing clock sites) with exploratory proteomics in skeletal muscle extends our prior work and reveals coordinated and widespread regulation of ribosomal, translation initiation, mitochondrial ribosomal (mitoribosomal) and complex I proteins after combined voluntary exercise training in a sizeable cohort of female mice (n = 7-10 per group and analysis). Multi-omics integration predicted epigenetic regulation of serine β-lactamase-like protein (LACTB - linked to tumour resistance in muscle), mind bomb 1 (MIB1 - linked to satellite cell and type 2 fibre maintenance) and ubiquitin protein ligase E3 component N-recognin 4 (UBR4 - linked to muscle protein quality control) after training. Computational cistrome analysis identified MYC as a regulator of the late-life training proteome, in agreement with prior transcriptional analyses. Vacuolar protein sorting 13 homolog A (VPS13A) was positively correlated to muscle mass, and the glycoprotein/glycolipid associated sialylation enzyme N-acetylneuraminate pyruvate lyase (NPL) was associated to in vivo muscle fatigue resistance.

Abstract Human hallmarks of sarcopenia include muscle weakness and a blunted response to exercise. Nicotinamide N-methyltransferase inhibitors (NNMTis) increase strength and promote the regenerative capacity of aged muscle, thus offering a promising treatment for sarcopenia. Since human hallmarks of sarcopenia are recapitulated in aged (24-month-old) mice, we treated mice from 22 to 24 months of age with NNMTi, intensive exercise, or a combination of both, and compared skeletal muscle adaptations, including grip strength, longitudinal running capacity, plantarflexor peak torque, fatigue, and muscle mass, fiber type, cross-sectional area, and intramyocellular lipid (IMCL) content. Exhaustive proteome and metabolome analyses were completed to identify the molecular mechanisms underlying the measured changes in skeletal muscle pathophysiology. Remarkably, NNMTi-treated aged sedentary mice showed ~ 40% greater grip strength than sedentary controls, while aged exercised mice only showed a 20% increase relative to controls. Importantly, the grip strength improvements resulting from NNMTi treatment and exercise were additive, with NNMTi-treated exercised mice developing a 60% increase in grip strength relative to sedentary controls. NNMTi treatment also promoted quantifiable improvements in IMCL content and, in combination with exercise, significantly increased gastrocnemius fiber CSA. Detailed skeletal muscle proteome and metabolome analyses revealed unique molecular mechanisms associated with NNMTi treatment and distinct molecular mechanisms and cellular processes arising from a combination of NNMTi and exercise relative to those given a single intervention. These studies suggest that NNMTi-based drugs, either alone or combined with exercise, will be beneficial in treating sarcopenia and a wide range of age-related myopathies.