MicroRNAs (miRNAs) circulate in the bloodstream in a highly stable, extracellular form and are being developed as blood-based biomarkers for cancer and other diseases. However, the mechanism underlying their remarkable stability in the RNase-rich environment of blood is not well understood. The current model in the literature posits that circulating miRNAs are protected by encapsulation in membrane-bound vesicles such as exosomes, but this has not been systematically studied. We used differential centrifugation and size-exclusion chromatography as orthogonal approaches to characterize circulating miRNA complexes in human plasma and serum. We found, surprisingly, that the majority of circulating miRNAs cofractionated with protein complexes rather than with vesicles. miRNAs were also sensitive to protease treatment of plasma, indicating that protein complexes protect circulating miRNAs from plasma RNases. Further characterization revealed that Argonaute2 (Ago2), the key effector protein of miRNA-mediated silencing, was present in human plasma and eluted with plasma miRNAs in size-exclusion chromatography. Furthermore, immunoprecipitation of Ago2 from plasma readily recovered non–vesicle-associated plasma miRNAs. The majority of miRNAs studied copurified with the Ago2 ribonucleoprotein complex, but a minority of specific miRNAs associated predominantly with vesicles. Our results reveal two populations of circulating miRNAs and suggest that circulating Ago2 complexes are a mechanism responsible for the stability of plasma miRNAs. Our study has important implications for the development of biomarker approaches based on capture and analysis of circulating miRNAs. In addition, identification of extracellular Ago2–miRNA complexes in plasma raises the possibility that cells release a functional miRNA-induced silencing complex into the circulation.

Abstract In response to cold, mammals activate brown fat for respiratory-dependent thermogenesis reliant on the electron transport chain (1, 2). Yet, the structural basis of respiratory complex adaptation to cold remains elusive. Herein we combined thermoregulatory physiology and cryo-EM to study endogenous respiratory supercomplexes exposed to different temperatures. A cold-induced conformation of CI:III 2 (termed type 2) was identified with a ∼25° rotation of CIII 2 around its inter-dimer axis, shortening inter-complex Q exchange space, and exhibiting different catalytic states which favor electron transfer. Large-scale supercomplex simulations in lipid membrane reveal how unique lipid-protein arrangements stabilize type 2 complexes to enhance catalytic activity. Together, our cryo-EM studies, multiscale simulations and biochemical analyses unveil the mechanisms and dynamics of respiratory adaptation at the structural and energetic level.

Mitochondrial diseases are a group of disorders defined by defects in oxidative phosphorylation caused by nuclear- or mitochondrial-encoded gene mutations. A main cellular phenotype of mitochondrial disease mutations are redox imbalances and inflammatory signaling underlying pathogenic signatures of these patients. Depending on the type of mitochondrial mutation, certain mechanisms can efficiently rescue cell death vulnerability. One method is the inhibition of mitochondrial translation elongation using tetracyclines, potent suppressors of cell death in mitochondrial disease mutant cells. However, the mechanisms whereby tetracyclines promote cell survival are unknown. Here, we show that in mitochondrial mutant disease cells, tetracycline-mediated inhibition of mitoribosome elongation promotes survival through suppression of the ER stress IRE1α protein. Tetracyclines increased levels of the splitting factor MALSU1 (Mitochondrial Assembly of Ribosomal Large Subunit 1) at the mitochondria with recruitment to the mitochondrial ribosome (mitoribosome) large subunit. MALSU1, but not other quality control factors, was required for tetracycline-induced cell survival in mitochondrial disease mutant cells during glucose starvation. In these cells, nutrient stress induced cell death through IRE1α activation associated with a strong protein loading in the ER lumen. Notably, tetracyclines rescued cell death through suppression of IRE1α oligomerization and activity. Consistent with MALSU1 requirement, MALSU1 deficient mitochondrial mutant cells were sensitive to glucose-deprivation and exhibited increased ER stress and activation of IRE1α that was not reversed by tetracyclines. These studies show that inhibition of mitoribosome elongation signals to the ER to promote survival, establishing a new interorganelle communication between the mitoribosome and ER with implications in basic mechanisms of cell survival and treatment of mitochondrial diseases.