High-resistance exercise training results in an increase in muscle wet mass and protein content. To begin to address the acute changes following a single bout of high-resistance exercise, a new model has been developed. Training rats twice a week for 6 wk resulted in 13.9 and 14.4% hypertrophy in the extensor digitorum longus (EDL) and tibialis anterior (TA) muscles, respectively. Polysome profiles after high-resistance lengthening contractions suggest that the rate of initiation is increased. The activity of the 70-kDa S6 protein kinase (p70 S6k ), a regulator of translation initiation, is also increased following high-resistance lengthening contractions (TA, 363 ± 29%; EDL, 353 ± 39%). Furthermore, the increase in p70 S6k activity 6 h after exercise correlates with the percent change in muscle mass after 6 wk of training ( r = 0.998). The tight correlation between the activation of p70 S6k and the long-term increase in muscle mass suggests that p70 S6k phosphorylation may be a good marker for the phenotypic changes that characterize muscle hypertrophy and may play a role in load-induced skeletal muscle growth.

List of Contributors. Foreword R.F. Burk. Preface D.L. Hatfield. Acknowledgements.1. Introduction D.L. Hatfield. Part I: Biosynthesis of selenocysteine and its incorporation into protein: 2. Selenium metabolism in bacteria A. Bock. 3. Mammalian selenocysteine tRNA B.A. Carlson, et al. 4. Selenophosphate selenium donor for protein and tRNA G.M. Lacourciere. 5. SECIS elements G.W. Martin III, M.J. Berry. 6. SECIS binding proteins P.R. Copeland, D.M. Driscoll. 7. Towards a mechanism for selenocysteine incorporation in eukaryotes J.B. Mansell, M.J. Berry. 8.Regulation of selenoprotein expression R.A. Sunde. Part II: Selenium-containing proteins: 9. Identity, evolution and function of selenoproteins and selenoprotein genes V.N. Gladyshev. 10. Bacterial selenoenzymes and mechanisms of action T.C. Stadtman. 11. Selenoprotein P K.E. Hill, R.F. Burk. 12. Selenoprotein W: A muscle protein in search of a function L. Walt Ream, et al. 13. The 15 kDa selenoprotein (Sep15): functional studies and a role in cancer etiology V.N. Gladyshev, et al. 14. Selenoproteins of the glutathione system L. Flohe, R. Brigelius-Flohe. 15. Selenoproteins of the thioredoxin system A. Holmgren. 16. Selenium, deiodinases and endocrine function D.L. St. Germain. Part III: Selenium and human health: 17. Selenium as a cancer preventive agent G.F. Combs Jr., Junxuan Lu. 18. Selenium deficiency and human disease R.Th.J. Coppinger, A.M. Diamond. 19. Selenium as an antiviral agent M.A. Beck. 20. Role of selenium in HIV/AIDS M.K. Baum, et al. 21. Effects of selenium on immunity and aging R.C. McKenzie, et al. 22. Selenium and male reproduction L. Flohe, et al. 23. Role of low molecular weight, selenium-containing compounds in human health H.J. Thompson. 24. Evolution of human dietary standards for selenium O.A. Levander. 25. Selenium in Biology and human health: controversies and perspectives V.N. Gladyshev. Index.

An important unresolved question in skeletal muscle plasticity is whether satellite cells are necessary for muscle fiber hypertrophy. To address this issue, a novel mouse strain (Pax7-DTA) was created which enabled the conditional ablation of >90% of satellite cells in mature skeletal muscle following tamoxifen administration. To test the hypothesis that satellite cells are necessary for skeletal muscle hypertrophy, the plantaris muscle of adult Pax7-DTA mice was subjected to mechanical overload by surgical removal of the synergist muscle. Following two weeks of overload, satellite cell-depleted muscle showed the same increases in muscle mass (approximately twofold) and fiber cross-sectional area with hypertrophy as observed in the vehicle-treated group. The typical increase in myonuclei with hypertrophy was absent in satellite cell-depleted fibers, resulting in expansion of the myonuclear domain. Consistent with lack of nuclear addition to enlarged fibers, long-term BrdU labeling showed a significant reduction in the number of BrdU-positive myonuclei in satellite cell-depleted muscle compared with vehicle-treated muscle. Single fiber functional analyses showed no difference in specific force, Ca2+ sensitivity, rate of cross-bridge cycling and cooperativity between hypertrophied fibers from vehicle and tamoxifen-treated groups. Although a small component of the hypertrophic response, both fiber hyperplasia and regeneration were significantly blunted following satellite cell depletion, indicating a distinct requirement for satellite cells during these processes. These results provide convincing evidence that skeletal muscle fibers are capable of mounting a robust hypertrophic response to mechanical overload that is not dependent on satellite cells.

Circadian rhythms of cell and organismal physiology are controlled by an autoregulatory transcription-translation feedback loop that regulates the expression of rhythmic genes in a tissue-specific manner. Recent studies have suggested that components of the circadian pacemaker, such as the Clock and Per2 gene products, regulate a wide variety of processes, including obesity, sensitization to cocaine, cancer susceptibility, and morbidity to chemotherapeutic agents. To identify a more complete cohort of genes that are transcriptionally regulated by CLOCK and/or circadian rhythms, we used a DNA array interrogating the mouse protein-encoding transcriptome to measure gene expression in liver and skeletal muscle from WT and Clock mutant mice. In WT tissue, we found that a large percentage of expressed genes were transcription factors that were rhythmic in either muscle or liver, but not in both, suggesting that tissue-specific output of the pacemaker is regulated in part by a transcriptional cascade. In comparing tissues from WT and Clock mutant mice, we found that the Clock mutation affects the expression of many genes that are rhythmic in WT tissue, but also profoundly affects many nonrhythmic genes. In both liver and skeletal muscle, a significant number of CLOCK-regulated genes were associated with the cell cycle and cell proliferation. To determine whether the observed patterns in cell-cycle gene expression in Clock mutants resulted in functional dysregulation, we compared proliferation rates of fibroblasts derived from WT or Clock mutant embryos and found that the Clock mutation significantly inhibits cell growth and proliferation.

MicroRNAs (miRNAs) are a class of highly conserved, noncoding RNAs involved in posttranscriptional gene regulation. A small number of muscle-specific miRNAs have been identified and shown to have a role in myoblast proliferation and differentiation as well as embryonic muscle growth. The primary objective of the present study was to determine the expression level of the muscle-specific miRNAs in the soleus and plantaris muscles and whether their expression in the plantaris was altered in response to functional overload. Of the miRNAs examined, only miRNA-206 was differentially expressed between soleus and plantaris muscles, as reflected by the sevenfold higher expression in the soleus for both the primary miRNA (pri-miRNA) and mature miRNA (miR). Following 7 days of functional overload, transcript levels for both pri-miRNA-1-2 and pri-miRNA-133a-2 increased by ∼2-fold, whereas pri-miRNA-206 levels were elevated 18.3-fold. In contrast, expression of miR-1 and miR-133a were downregulated by ∼50% following overload. The discrepancy between pri-miRNA and miR expression following overload was not explained by a change in the expression of components of the miRNA biogenesis pathway, since Drosha and Exportin-5 transcript levels were significantly increased by 50% in response to functional overload, whereas Dicer expression remained unchanged. These results are the first to report alterations in expression of muscle-specific miRNAs in adult skeletal muscle and suggest miRNAs may have a role in the adaptation to functional overload.

Abstract Gene expression in skeletal muscle of older individuals may reflect compensatory adaptations in response to oxidative damage that preserve tissue integrity and maintain function. Identifying associations between oxidative stress response gene expression patterns and mitochondrial function, physical performance, and muscle mass in older individuals would further our knowledge of mechanisms related to managing molecular damage that may be targeted to preserve physical resilience. To characterize expression patterns of genes responsible for the oxidative stress response, RNA was extracted and sequenced from skeletal muscle biopsies collected from 575 participants (≥70 years old) from the Study of Muscle, Mobility, and Aging. Expression levels of 21 protein‐coding RNAs related to the oxidative stress response were analyzed in relation to six phenotypic measures, including maximal mitochondrial respiration from muscle biopsies (Max OXPHOS), physical performance (VO 2 peak, 400‐m walking speed, and leg strength), and muscle size (thigh muscle volume and whole‐body D3Cr muscle mass). The mRNA level of the oxidative stress response genes most consistently associated across outcomes are preferentially expressed within the mitochondria. Higher expression of mRNAs that encode generally mitochondria located proteins SOD2 , TRX2 , PRX3 , PRX5 , and GRX2 were associated with higher levels of mitochondrial respiration and VO 2 peak. In addition, greater SOD2, PRX3, and GRX2 expression was associated with higher physical performance and muscle size. Identifying specific mechanisms associated with high functioning across multiple performance and physical domains may lead to targeted antioxidant interventions with greater impacts on mobility and independence.

Summary Circadian rhythms are generated by an auto-regulatory feedback loop composed of transcriptional activators and repressors. Disruption of circadian rhythms contributes to Type 2 diabetes (T2D) pathogenesis. We elucidated whether altered circadian rhythmicity of clock genes is associated with metabolic dysfunction in T2D. Transcriptional cycling of core clock genes ARNTL, CLOCK , CRY1 and NR1D1 was altered in skeletal muscle from individuals with T2D and this was coupled with reduced number and amplitude of cycling genes and disturbed circadian oxygen consumption. Mitochondrial associated genes were enriched for differential circadian amplitudes in T2D, and positively correlated with insulin sensitivity. ChIP- sequencing identified CLOCK and BMAL1 binding to circadian mitochondrial genes associated with insulin sensitivity, implicating regulation by the core clock. Mitochondria disruption altered core-clock gene expression and free-radical production, phenomena that were restored by resveratrol treatment. We identify bi-directional communication between mitochondrial function and rhythmic gene expression, processes which are disturbed in diabetes.

Abstract Circadian rhythmicity in transcriptomic profiles has been shown in many physiological processes, and the disruption of circadian patterns has been founded to associate with several diseases. In this paper, we developed a series of likelihood-based methods to detect (i) circadian rhythmicity (denoted as LR rhythmicity) and (ii) differential circadian patterns comparing two experimental conditions (denoted as LR diff). In terms of circadian rhythmicity detection, we demonstrated that our proposed LR rhythmicity could better control the type I error rate compared to existing methods under a wide variety of simulation settings. In terms of differential circadian patterns, we developed methods in detecting differential amplitude, differential phase, differential basal level, and differential fit, which also successfully controlled the type I error rate. In addition, we demonstrated that the proposed LR diff could achieve higher statistical power in detecting differential fit, compared to existing methods. The superior performance of LR rhythmicity and LR diff was demonstrated in two real data applications, including a brain aging data (gene expression microarray data of human postmortem brain) and a time-restricted feeding data (RNA sequencing data of human skeletal muscles). An R package for our methods is publicly available on GitHub https://github.com/diffCircadian/diffCircadian .

SUMMARY Cellular circadian clocks direct a daily transcriptional program that supports homeostasis and resilience. Emerging evidence supports age-associated changes in circadian functions. To define age-dependent changes at the systems level, we profiled the circadian transcriptome in the hypothalamus, lung, heart, kidney, skeletal muscle, and adrenal gland in 3 age groups. We found age-dependent and tissue-specific clock output changes. Aging reduced the number of rhythmically expressed genes (REGs), indicative of weakened circadian control. Many genes gained rhythmicity in old tissues, reflecting an adaptive response. REGs were enriched for the hallmarks of aging, adding a new dimension to our understanding of aging. Differential gene expression analysis found that there were temporally distinct clusters of genes in tissue-specific manner. Increased daily gene expression variability is a common feature of aged tissues. This novel analysis extends the landscape of the understanding of aging and highlights the impact of aging on circadian clock function and temporal changes in gene expression. HIGHLIGHTS - Rhythmically expressed genes (REGs) in Young, but not Old mice, are enriched for the aging hallmarks across all tissues. - The numbers of REGs decline across all tissues with age implicating the circadian clock in altered homeostasis. - Age- and tissue-specific differentially expressed genes (DEGs) cluster at specific times of the day. - Increase in gene expression variability over a day is a common feature of aging tissues.

Abstract With aging skeletal muscle fibers undergo repeating cycles of denervation and reinnervation. In approximately the 8th decade of life reinnervation no longer keeps pace, resulting in the accumulation of persistently denervated muscle fibers that in turn cause an acceleration of muscle dysfunction. The significance of denervation in important clinical outcomes with aging is poorly studied. The Study of Muscle, Mobility, and Aging (SOMMA) is a large cohort study with the primary objective to assess how aging muscle biology impacts clinically important traits. Using transcriptomics data from vastus lateralis muscle biopsies in 575 participants we have selected 49 denervation‐responsive genes to provide insights to the burden of denervation in SOMMA, to test the hypothesis that greater expression of denervation‐responsive genes negatively associates with SOMMA participant traits that included time to walk 400 meters, fitness (VO 2peak ), maximal mitochondrial respiration, muscle mass and volume, and leg muscle strength and power. Consistent with our hypothesis, increased transcript levels of: a calciumdependent intercellular adhesion glycoprotein (CDH15), acetylcholine receptor subunits (CHRNA1, CHRND, CHRNE), a glycoprotein promoting reinnervation (NCAM1), a transcription factor regulating aspects of muscle organization (RUNX1), and a sodium channel (SCN5A) were each negatively associated with at least 3 of these traits. VO 2peak and maximal respiration had the strongest negative associations with 15 and 19 denervation‐responsive genes, respectively. In conclusion, the abundance of denervationresponsive gene transcripts is a significant determinant of muscle and mobility outcomes in aging humans, supporting the imperative to identify new treatment strategies to restore innervation in advanced age.