Although changes in mitochondrial size and arrangement accompany both cellular differentiation and human disease, the mechanisms that mediate mitochondrial fusion, fission and morphogenesis in mammalian cells are not understood. We have identified two human genes encoding potential mediators of mitochondrial fusion. The mitofusins (Mfn1 and Mfn2) are homologs of the Drosophila protein fuzzy onion (Fzo) that associate with mitochondria and alter mitochondrial morphology when expressed by transient transfection in tissue culture cells. An internal region including a predicted bipartite transmembrane domain (TM) is sufficient to target Mfn2 to mitochondria and requires hydrophobic residues within the TM. Co-expression of Mfn2 with a dominant interfering mutant dynamin-related protein (Drp1(K38A)) proposed to block mitochondrial fission resulted in long mitochondrial filaments and networks. Formation of mitochondrial filaments and networks required a wild-type Mfn2 GTPase domain, suggesting that the Mfn2 GTPase regulates or mediates mitochondrial fusion and that mitofusins and dynamin related GTPases play opposing roles in mitochondrial fusion and fission in mammals, as in yeast.

Recent evidence suggests that a subset of cancer cells within some tumors, the so-called cancer stem cells, may drive the growth and metastasis of these tumors. Understanding the pathways that regulate proliferation, self-renewal, survival, and differentiation of malignant and normal stem cells may shed light on mechanisms that lead to cancer and suggest better modes of treatment.

Seven monoclonal antibodies raised against tubulin from the axonemes of sea urchin sperm flagella recognize an acetylated form of alpha-tubulin present in the axoneme of a variety of organisms. The antigen was not detected among soluble, cytoplasmic alpha-tubulin isoforms from a variety of cells. The specificity of the antibodies was determined by in vitro acetylation of sea urchin and Chlamydomonas cytoplasmic tubulins in crude extracts. Of all the acetylated polypeptides in the extracts, only alpha-tubulin became antigenic. Among Chlamydomonas tubulin isoforms, the antibodies recognize only the axonemal alpha-tubulin isoform acetylated in vivo on the epsilon-amino group of lysine(s) (L'Hernault, S.W., and J.L. Rosenbaum, 1985, Biochemistry, 24:473-478). The antibodies do not recognize unmodified axonemal alpha-tubulin, unassembled alpha-tubulin present in a flagellar matrix-plus-membrane fraction, or soluble, cytoplasmic alpha-tubulin from Chlamydomonas cell bodies. The antigen was found in protein fractions that contained axonemal microtubules from a variety of sources, including cilia from sea urchin blastulae and Tetrahymena, sperm and testis from Drosophila, and human sperm. In contrast, the antigen was not detected in preparations of soluble, cytoplasmic tubulin, which would not have contained tubulin from stable microtubule arrays such as centrioles, from unfertilized sea urchin eggs, Drosophila embryos, and HeLa cells. Although the acetylated alpha-tubulin recognized by the antibodies is present in axonemes from a variety of sources and may be necessary for axoneme formation, it is not found exclusively in any one subset of morphologically distinct axonemal microtubules. The antigen was found in similar proportions in fractions from sea urchin sperm axonemes enriched for central pair or outer doublet B or outer doublet A microtubules. Therefore the acetylation of alpha-tubulin does not provide the mechanism that specifies the structure of any one class of axonemal microtubules. Preliminary evidence indicates that acetylated alpha-tubulin is not restricted to the axoneme. The antibodies described in this report may allow us to deduce the role of tubulin acetylation in the structure and function of microtubules in vivo.

Stem cell self-renewal can be specified by local signals from the surrounding microenvironment, or niche. However, the relation between the niche and the mechanisms that ensure the correct balance between stem cell self-renewal and differentiation is poorly understood. Here, we show that dividing Drosophila male germline stem cells use intracellular mechanisms involving centrosome function and cortically localized Adenomatous Polyposis Coli tumor suppressor protein to orient mitotic spindles perpendicular to the niche, ensuring a reliably asymmetric outcome in which one daughter cell remains in the niche and self-renews stem cell identity, whereas the other, displaced away, initiates differentiation.

Stem cells generate many differentiated, short-lived cell types, such as blood, skin, and sperm, throughout adult life. Stem cells maintain a long-term capacity to divide, producing daughter cells that either self-renew or initiate differentiation. Although the surrounding microenvironment or “niche” influences stem cell fate decisions, few signals that emanate from the niche to specify stem cell self-renewal have been identified. Here we demonstrate that the apical hub cells in the Drosophila testis act as a cellular niche that supports stem cell self-renewal. Hub cells express the ligand Unpaired (Upd), which activates the Janus kinase–signal transducer and activator of transcription (JAK-STAT) pathway in adjacent germ cells to specify self-renewal and continual maintenance of the germ line stem cell population.

The Drosophila melanogaster fuzzy onions(fzo) gene encodes the first known protein mediator of mitochondrial fusion. During Drosophila spermatogenesis, mitochondria in early postmeiotic spermatids aggregate, fuse, and elongate beside the growing flagellar axoneme. fzo mutant males are defective in this developmentally regulated mitochondrial fusion and are sterile. fzo encodes a large, novel, predicted transmembrane GTPase that becomes detectable on spermatid mitochondria late in meiosis II, just prior to fusion, and disappears soon after fusion is complete. Missense mutations that alter conserved residues required for GTP binding in other GTPases inhibit the fusogenic activity of Fzo in vivo but do not affect its localization. Fzo has homologs of unknown function in mammals, nematodes, and yeast.

Membrane fusion is required to establish the morphology and cellular distribution of the mitochondrial compartment. In Drosophila, mutations in the fuzzy onions (fzo) GTPase block a developmentally regulated mitochondrial fusion event during spermatogenesis. Here we report that the yeast orthologue of fuzzy onions, Fzo1p, plays a direct and conserved role in mitochondrial fusion. A conditional fzo1 mutation causes the mitochondrial reticulum to fragment and blocks mitochondrial fusion during yeast mating. Fzo1p is a mitochondrial integral membrane protein with its GTPase domain exposed to the cytoplasm. Point mutations that alter conserved residues in the GTPase domain do not affect Fzo1p localization but disrupt mitochondrial fusion. Suborganellar fractionation suggests that Fzo1p spans the outer and is tightly associated with the inner mitochondrial membrane. This topology may be required to coordinate the behavior of the two mitochondrial membranes during the fusion reaction. We propose that the fuzzy onions family of transmembrane GTPases act as molecular switches to regulate a key step in mitochondrial membrane docking and/or fusion.

Adult stem cells often divide asymmetrically to produce one self-renewed stem cell and one differentiating cell, thus maintaining both populations. The asymmetric outcome of stem cell divisions can be specified by an oriented spindle and local self-renewal signals from the stem cell niche. Here we show that developmentally programmed asymmetric behavior and inheritance of mother and daughter centrosomes underlies the stereotyped spindle orientation and asymmetric outcome of stem cell divisions in the Drosophila male germ line. The mother centrosome remains anchored near the niche while the daughter centrosome migrates to the opposite side of the cell before spindle formation.

For more than 100 years, the fruit fly

Mitochondrial fusion may regulate mitochondrial morphogenesis and underlie complementation between mitochondrial genomes in mammalian cells. The nuclear encoded mitochondrial proteins Mfn1 and Mfn2 are human homologues of the only known protein mediators of mitochondrial fusion, the Drosophila Fzo GTPase and Saccharomyces cerevisiae yFzo1p. Although the Mfn1 and Mfn2 genes were broadly expressed, the two genes showed different levels of mRNA expression in different tissues. Two Mfn1 transcripts were detected at similar levels in a variety of human tissues and were dramatically elevated in heart, while Mfn2 mRNA was abundantly expressed in heart and muscle tissue but present only at low levels in many other tissues. Human Mfn1 protein localized to mitochondria and participated in a high molecular weight, detergent extractable protein complex. Forced expression of Mfn1 in cultured cells caused formation of characteristic networks of mitochondria. Introduction of a point mutation in the conserved G1 region of the predicted GTPase domain(Mfn1K88T) dramatically decreased formation of mitochondrial networks upon Mfn1 overexpression, suggesting that network formation required completion of the Mfn1 GTPase cycle. Conversely, a protein variant carrying a point mutation in the G2 motif of the Mfn1 GTPase domain acted as a dominant negative: overexpression of Mfn1T109A resulted in fragmentation of mitochondria. We propose that Mfn1T109A interferes with fusion activity of endogenous Mfn1 protein, possibly by binding necessary cofactors,so to allow unopposed mitochondrial fission. Thus, Mfn1 appears to be a key player in mediating mitochondrial fusion and morphology in mammalian cells.