Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease characterized by a selective degeneration of motor neurons, atrophy, and paralysis of skeletal muscle. Although a significant proportion of familial ALS results from a toxic gain of function associated with dominant SOD1 mutations, the etiology of the disease and its specific cellular origins have remained difficult to define. Here, we show that muscle-restricted expression of a localized insulin-like growth factor (Igf) -1 isoform maintained muscle integrity and enhanced satellite cell activity in SOD1G93A transgenic mice, inducing calcineurin-mediated regenerative pathways. Muscle-specific expression of local Igf-1 (mIgf-1) isoform also stabilized neuromuscular junctions, reduced inflammation in the spinal cord, and enhanced motor neuronal survival in SOD1G93A mice, delaying the onset and progression of the disease. These studies establish skeletal muscle as a primary target for the dominant action of inherited SOD1 mutation and suggest that muscle fibers provide appropriate factors, such as mIgf-1, for neuron survival.

Insulin-like growth factor 1 (IGF-1) is a potent enhancer of tissue regeneration, and its overexpression in muscle injury leads to hastened resolution of the inflammatory phase. Here, we show that monocytes/macrophages constitute an important initial source of IGF-1 in muscle injury, as conditional deletion of the IGF-1 gene specifically in mouse myeloid cells (ϕIGF-1 CKO) blocked the normal surge of local IGF-1 in damaged muscle and significantly compromised regeneration. In injured muscle, Ly6C+ monocytes/macrophages and CD206+ macrophages expressed equivalent IGF-1 levels, which were transiently upregulated during transition from the inflammation to repair. In injured ϕIGF-1 CKO mouse muscle, accumulation of CD206+ macrophages was impaired, while an increase in Ly6C+ monocytes/macrophages was favored. Transcriptional profiling uncovered inflammatory skewing in ϕIGF-1 CKO macrophages, which failed to fully induce a reparative gene program in vitro or in vivo, revealing a novel autocrine role for IGF-1 in modulating murine macrophage phenotypes. These data establish local macrophage-derived IGF-1 as a key factor in inflammation resolution and macrophage polarization during muscle regeneration.

Aging is usually accompanied by a significant reduction in muscle mass and force. To determine the relative contribution of inactivity and aging per se to this decay, we compared muscle function and structure in (a) male participants belonging to a group of well-trained seniors (average of 70 years) who exercised regularly in their previous 30 years and (b) age-matched healthy sedentary seniors with (c) active young men (average of 27 years). The results collected show that relative to their sedentary cohorts, muscle from senior sportsmen have: (a) greater maximal isometric force and function, (b) better preserved fiber morphology and ultrastructure of intracellular organelles involved in Ca2+ handling and ATP production, (c) preserved muscle fibers size resulting from fiber rescue by reinnervation, and (d) lowered expression of genes related to autophagy and reactive oxygen species detoxification. All together, our results indicate that: (a) skeletal muscle of senior sportsmen is actually more similar to that of adults than to that of age-matched sedentaries and (b) signaling pathways controlling muscle mass and metabolism are differently modulated in senior sportsmen to guarantee maintenance of skeletal muscle structure, function, bioenergetic characteristics, and phenotype. Thus, regular physical activity is a good strategy to attenuate age-related general decay of muscle structure and function (ClinicalTrials.gov: NCT01679977).

The decline in skeletal muscle mass and strength occurring in aging, referred as sarcopenia, is the result of many factors including an imbalance between protein synthesis and degradation, changes in metabolic/hormonal status, and in circulating levels of inflammatory mediators. Thus, factors that increase muscle mass and promote anabolic pathways might be of therapeutic benefit to counteract sarcopenia. Among these, the insulin-like growth factor-1 (IGF-1) has been implicated in many anabolic pathways in skeletal muscle. IGF-1 exists in different isoforms that might exert different role in skeletal muscle. Here we study the effects of two full propeptides IGF-1Ea and IGF-1Eb in skeletal muscle, with the aim to define whether and through which mechanisms their overexpression impacts muscle aging. We report that only IGF-1Ea expression promotes a pronounced hypertrophic phenotype in young mice, which is maintained in aged mice. Nevertheless, examination of aged transgenic mice revealed that the local expression of either IGF-1Ea or IGF-1Eb transgenes was protective against age-related loss of muscle mass and force. At molecular level, both isoforms activate the autophagy/lysosome system, normally altered during aging, and increase PGC1-α expression, modulating mitochondrial function, ROS detoxification, and the basal inflammatory state occurring at old age. Moreover, morphological integrity of neuromuscular junctions was maintained and preserved in both MLC/IGF-1Ea and MLC/IGF-1Eb mice during aging. These data suggest that IGF-1 is a promising therapeutic agent in staving off advancing muscle weakness.

Abstract The role of N‐glycosylation in the myogenic process remains poorly understood. Here, we evaluated the impact of N‐glycosylation inhibition by Tunicamycin (TUN) or by phosphomannomutase 2 ( PMM2 ) gene knockdown, which encodes an enzyme essential for catalyzing an early step of the N‐glycosylation pathway, on C2C12 myoblast differentiation. The effect of chronic treatment with TUN on tibialis anterior (TA) and extensor digitorum longus (EDL) muscles of WT and MLC/mIgf‐1 transgenic mice, which overexpress muscle Igf‐1Ea mRNA isoform, was also investigated. TUN‐treated and PMM2 knockdown C2C12 cells showed reduced ConA, PHA‐L, and AAL lectin binding and increased ER‐stress‐related gene expression ( Chop and Hspa5 mRNAs and s/uXbp1 ratio) compared to controls. Myogenic markers ( MyoD, myogenin , and Mrf4 mRNAs and MF20 protein) and myotube formation were reduced in both TUN‐treated and PMM2 knockdown C2C12 cells. Body and TA weight of WT and MLC/mIgf‐1 mice were not modified by TUN treatment, while lectin binding slightly decreased in the TA muscle of WT (ConA and AAL) and MLC/mIgf‐1 (ConA) mice. The ER‐stress‐related gene expression did not change in the TA muscle of WT and MLC/mIgf‐1 mice after TUN treatment. TUN treatment decreased myogenin mRNA and increased atrogen‐1 mRNA, particularly in the TA muscle of WT mice. Finally, the IGF‐1 production and IGF1R signaling pathways activation were reduced due to N‐glycosylation inhibition in TA and EDL muscles. Decreased IGF1R expression was found in TUN‐treated C2C12 myoblasts which was associated with lower IGF‐1‐induced IGF1R, AKT, and ERK1/2 phosphorylation compared to CTR cells. Chronic TUN‐challenge models can help to elucidate the molecular mechanisms through which diseases associated with aberrant N‐glycosylation, such as Congenital Disorders of Glycosylation (CDG), affect muscle and other tissue functions.