Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project was established to characterize genetic effects on the transcriptome across human tissues, and to link these regulatory mechanisms to trait and disease associations. Here, we present analyses of the v8 data, based on 17,382 RNA-sequencing samples from 54 tissues of 948 post-mortem donors. We comprehensively characterize genetic associations for gene expression and splicing in cis and trans, showing that regulatory associations are found for almost all genes, and describe the underlying molecular mechanisms and their contribution to allelic heterogeneity and pleiotropy of complex traits. Leveraging the large diversity of tissues, we provide insights into the tissue-specificity of genetic effects, and show that cell type composition is a key factor in understanding gene regulatory mechanisms in human tissues.

Transcription factors (TFs) play a key role in regulating gene expression and responses to stimuli. We conducted an integrated analysis of chromatin accessibility, DNA methylation, and RNA expression across eight rat tissues following endurance exercise training (EET) to map epigenomic changes to transcriptional changes and determine key TFs involved. We uncovered tissue-specific changes and TF motif enrichment across all omic layers, differentially accessible regions (DARs), differentially methylated regions (DMRs), and differentially expressed genes (DEGs). We discovered distinct routes of EET-induced regulation through either epigenomic alterations providing better access for TFs to affect target genes, or via changes in TF expression or activity enabling target gene response. We identified TF motifs enriched among correlated epigenomic and transcriptomic alterations, DEGs correlated with exercise-related phenotypic changes, and EET-induced activity changes of TFs enriched for DEGs among their gene targets. This analysis elucidates the unique transcriptional regulatory mechanisms mediating diverse organ effects of EET.

Background: Population structure among study subjects may confound genetic association studies, and lack of proper correction can lead to spurious findings. The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project largely contains individuals of European ancestry, but the final release (v8) also includes up to 15% of individuals of non-European ancestry. Assessing ancestry-based adjustments in GTEx provides an opportunity to improve portability of this research across populations and to further measure the impact of population structure on GWAS colocalization. Results: Here, we identify a subset of 117 individuals in GTEx (v8) with a high degree of population admixture and estimate genome-wide local ancestry. We perform genome-wide cis-eQTL mapping using admixed samples in six tissues, adjusted by either global or local ancestry. Consistent with previous work, we observe improved power with local ancestry adjustment. At loci where the two adjustments produce different lead variants, we observe only 0.8% of tests with GWAS colocalization posterior probabilities that change by 10% or more. Notably, both adjustments produce similar numbers of significant colocalizations. Finally, we identify a small subset of GTEx v8 eQTL-associated variants highly correlated with local ancestry (R2 > 0.7), providing a resource to enhance functional follow-up. Conclusions: We provide a local ancestry map for admixed individuals in the final GTEx release and describe the impact of ancestry and admixture on gene expression, eQTLs, and GWAS colocalization. While the majority of results are concordant between local and global ancestry-based adjustments, we identify distinct advantages and disadvantages to each approach.

Subcutaneous white adipose tissue (scWAT) is a dynamic storage and secretory organ that regulates systemic homeostasis, yet the impact of endurance exercise training and sex on its molecular landscape has not been fully established. Utilizing an integrative multi-omics approach with data generated by the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC), we identified profound sexual dimorphism in the dynamic response of rat scWAT to endurance exercise training. Despite similar cardiorespiratory improvements, only male rats reduced whole-body adiposity, scWAT adipocyte size, and total scWAT triglyceride abundance with training. Multi-omic analyses of adipose tissue integrated with phenotypic measures identified sex-specific training responses including enrichment of mTOR signaling in females, while males displayed enhanced mitochondrial ribosome biogenesis and oxidative metabolism. Overall, this study reinforces our understanding that sex impacts scWAT biology and provides a rich resource to interrogate responses of scWAT to endurance training.

Mitochondria are adaptable organelles with diverse cellular functions critical to whole-body metabolic homeostasis. While chronic endurance exercise training is known to alter mitochondrial activity, these adaptations have not yet been systematically characterized. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) mapped the longitudinal, multi-omic changes in mitochondrial analytes across 19 tissues in male and female rats endurance trained for 1, 2, 4 or 8 weeks. Training elicited substantial changes in the adrenal gland, brown adipose, colon, heart and skeletal muscle, while we detected mild responses in the brain, lung, small intestine and testes. The colon response was characterized by non-linear dynamics that resulted in upregulation of mitochondrial function that was more prominent in females. Brown adipose and adrenal tissues were characterized by substantial downregulation of mitochondrial pathways. Training induced a previously unrecognized robust upregulation of mitochondrial protein abundance and acetylation in the liver, and a concomitant shift in lipid metabolism. The striated muscles demonstrated a highly coordinated response to increase oxidative capacity, with the majority of changes occurring in protein abundance and post-translational modifications. We identified exercise upregulated networks that are downregulated in human type 2 diabetes and liver cirrhosis. In both cases HSD17B10, a central dehydrogenase in multiple metabolic pathways and mitochondrial tRNA maturation, was the main hub. In summary, we provide a multi-omic, cross-tissue atlas of the mitochondrial response to training and identify candidates for prevention of disease-associated mitochondrial dysfunction.