MyoD , a master regulator of myogenesis, exhibits a circadian rhythm in its mRNA and protein levels, suggesting a possible role in the daily maintenance of muscle phenotype and function. We report that MyoD is a direct target of the circadian transcriptional activators CLOCK and BMAL1, which bind in a rhythmic manner to the core enhancer of the MyoD promoter. Skeletal muscle of Clock Δ19 and Bmal1 −/− mutant mice exhibited ∼30% reductions in normalized maximal force. A similar reduction in force was observed at the single-fiber level. Electron microscopy (EM) showed that the myofilament architecture was disrupted in skeletal muscle of Clock Δ19 , Bmal1 −/− , and MyoD −/− mice. The alteration in myofilament organization was associated with decreased expression of actin, myosins, titin, and several MyoD target genes. EM analysis also demonstrated that muscle from both Clock Δ19 and Bmal1 −/− mice had a 40% reduction in mitochondrial volume. The remaining mitochondria in these mutant mice displayed aberrant morphology and increased uncoupling of respiration. This mitochondrial pathology was not seen in muscle of MyoD −/− mice. We suggest that altered expression of both Pgc-1α and Pgc-1β in Clock Δ19 and Bmal1 −/− mice may underlie this pathology. Taken together, our results demonstrate that disruption of CLOCK or BMAL1 leads to structural and functional alterations at the cellular level in skeletal muscle. The identification of MyoD as a clock-controlled gene provides a mechanism by which the circadian clock may generate a muscle-specific circadian transcriptome in an adaptive role for the daily maintenance of adult skeletal muscle.

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.

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.

Abstract Circadian rhythms are maintained by a cell autonomous, transcriptional-translational feedback loop known as the molecular clock. While previous research suggests a role of the molecular clock in regulating skeletal muscle structure and function, no mechanisms have connected the molecular clock to sarcomere filaments. Utilizing inducible, skeletal muscle specific, Bmal1 knockout (iMS Bmal1 -/- ) mice, we showed that knocking out skeletal muscle clock function alters titin isoform expression using RNAseq, LC-MS, and SDS-VAGE. This alteration in titin’s spring length resulted in sarcomere length heterogeneity. We demonstrate the direct link between altered titin splicing and sarcomere length in vitro using U7 snRNPs that truncate the region of titin altered in iMS Bmal1 -/- muscle. We identified a mechanism whereby the skeletal muscle clock regulates titin isoform expression through transcriptional regulation of Rbm20 , a potent splicing regulator of titin. Lastly, we used an environmental model of circadian rhythm disruption and identified significant down-regulation of Rbm20 expression. Our findings demonstrate the importance of the skeletal muscle circadian clock in maintaining titin isoform through regulation of RBM20 expression. Because circadian rhythm disruption is a feature of many chronic diseases, our results highlight a novel pathway that could be targeted to maintain skeletal muscle structure and function in a range of pathologies.

Abstract It has been well established that cardiovascular diseases exhibit significant differences between sexes in both preclinical models and humans. In addition, there is growing recognition that disrupted circadian rhythms can contribute to the onset and progression of cardiovascular diseases. However little is known about sex differences between the cardiac circadian clock and circadian transcriptomes in mice. Here, we show that the the core clock genes are expressed in common in both sexes but the circadian transcriptome of the mouse heart is very sex-specific. Hearts from female mice expressed significantly more rhythmically expressed genes (REGs) than male hearts and the temporal pattern of REGs was distinctly different between sexes. We next used a cardiomyocyte-specific knock out of the core clock gene, Bmal1 , to investigate its role in sex-specific gene expression in the heart. All sex differences in the circadian transcriptomes were significantly diminished with cardiomyocyte-specific loss of Bmal1 . Surprisingly, loss of cardiomyocyte Bmal1 also resulted in a roughly 8-fold reduction in the number of all the differentially expressed genes between male and female hearts. We conclude that cardiomyocyte-specific Bmal1 , and potentially the core clock mechanism, is vital in conferring sex-specific gene expression in the adult mouse heart.

Skeletal muscle comprises a family of diverse tissues with highly specialized morphology, function, and metabolism. Many acquired diseases, including HIV, COPD, cancer cachexia, critical illness myopathy, and sepsis, affect specific muscles while sparing others. Even monogenic muscular dystrophies tend to selectively affect certain muscle groups, despite their causative genetic mutations being present in all tissues. These observations suggest that factors intrinsic to muscle tissues influence their susceptibility to various disease mechanisms. Nevertheless, most studies have not addressed transcriptional diversity among skeletal muscles. Here we use unbiased RNA sequencing (RNA-seq) to profile global mRNA expression in a wide array of skeletal, smooth, and cardiac muscle tissues from mice and rats. Our data set, MuscleDB, reveals extensive transcriptional diversity, with greater than 50% of transcripts differentially expressed among skeletal muscle tissues. This diversity is only partly explained by fiber type composition and developmental history, suggesting that specialized transcriptional profiles establish the functional identity of muscle tissues. We find conservation in the transcriptional profiles across species as well as between males and females, indicating that these data may be useful in predicting gene expression in related species, such as humans. Notably, thousands of differentially expressed genes in skeletal muscle are associated with human disease, and hundreds of these genes encode targets of drugs on the market today. Related to this observation, we suggest a mechanistic explanation for how myotonic dystrophy induces weakness in the extensor digitorum longus (EDL) while sparing nearby muscles. These data may therefore provide the means by which muscle-specific sensitivity to disease may be unraveled. In addition, we detect hundreds of putative myokines that may underlie the endocrine functions of skeletal muscle. We anticipate that in conjunction with transcriptional modeling, this resource will catalyze more sophisticated tissue engineering of skeletal muscle to improve the efficacy of regenerative medicine.