Abstract Stress triggers anticipatory physiological responses that promote survival, a phenomenon termed allostasis. However, the chronic activation of energy-dependent allostatic responses results in allostatic load, a dysregulated state that predicts functional decline, accelerates aging, and increases mortality in humans. The energetic cost and cellular basis for the damaging effects of allostatic load have not been defined. Here, by longitudinally profiling three unrelated primary human fibroblast lines across their lifespan, we find that chronic glucocorticoid exposure increases cellular energy expenditure by ∼60%, along with a metabolic shift from glycolysis to mitochondrial oxidative phosphorylation (OxPhos). This state of stress-induced hypermetabolism is linked to mtDNA instability, non-linearly affects age-related cytokines secretion, and accelerates cellular aging based on DNA methylation clocks, telomere shortening rate, and reduced lifespan. Pharmacologically normalizing OxPhos activity while further increasing energy expenditure exacerbates the accelerated aging phenotype, pointing to total energy expenditure as a potential driver of aging dynamics. Together, our findings define bioenergetic and multi-omic recalibrations of stress adaptation, underscoring increased energy expenditure and accelerated cellular aging as interrelated features of cellular allostatic load.

Abstract Patients with primary mitochondrial diseases present with fatigue and multi-system disease, are often lean, and die prematurely, but the mechanistic basis for this clinical picture remains unclear. Integrating data from 17 cohorts of patients with mitochondrial diseases (n=690), we find that clinical mitochondrial disorders increase resting energy expenditure, a state termed hypermetabolism . In a longitudinal cellular model of primary patient-derived fibroblasts from multiple donors, we show that genetic and pharmacological disruptions of oxidative phosphorylation (OxPhos) similarly trigger increased energy consumption in a cell-autonomous manner, despite near-normal OxPhos coupling efficiency. Hypermetabolism is associated with mtDNA instability, activation of the integrated stress response, increased extracellular secretion of age-related cytokines and metabokines including GDF15, as well as an accelerated rate of telomere erosion and epigenetic aging, and a reduced Hayflick limit. Together with these dynamic measures, we have generated a longitudinal RNASeq and DNA methylation resource dataset, which reveals conserved, energetically demanding, genome-wide recalibrations in response to OxPhos dysfunction. The increased energetic cost of living, or hypermetabolism, in cells and organisms with OxPhos defects has important biological and clinical implications.

Abstract Aging is a process of progressive change. In order to develop biological models of aging, longitudinal datasets with high temporal resolution are needed. Here we report a multi-omic longitudinal dataset for cultured primary human fibroblasts measured across their replicative lifespans. Fibroblasts were sourced from both healthy donors (n=6) and individuals with lifespan-shortening mitochondrial disease (n=3). The dataset includes cytological, bioenergetic, DNA methylation, gene expression, secreted proteins, mitochondrial DNA copy number and mutations, cell-free DNA, telomere length, and whole-genome sequencing data. This dataset enables the bridging of mechanistic processes of aging as outlined by the “hallmarks of aging”, with the descriptive characterization of aging such as epigenetic age clocks. Here we focus on bridging the gap for the hallmark mitochondrial metabolism. Our dataset includes measurement of healthy cells, and cells subjected to over a dozen experimental manipulations targeting oxidative phosphorylation (OxPhos), glycolysis, and glucocorticoid signaling, among others. These experiments provide opportunities to test how cellular energetics affect the biology of cellular aging. All data are publicly available at our webtool: https://columbia-picard.shinyapps.io/shinyapp-Lifespan_Study/

Abstract GDF15 (growth differentiation factor 15) is a marker of cellular energetic stress linked to physical-mental illness, aging, and mortality. However, questions remain about its dynamic properties and measurability in human biofluids other than blood. Here, we examine the natural dynamics and psychobiological regulation of plasma and saliva GDF15 in four human studies representing 4,749 samples from 188 individuals. We show that GDF15 protein is detectable in saliva (8% of plasma concentration), likely produced by salivary glands secretory duct cells. Plasma and saliva GDF15 levels are not correlated. Using a brief laboratory socio-evaluative stressor paradigm, we find that psychological stress increases plasma (+3.4-5.3%) and saliva GDF15 (+45%) with distinct kinetics, within minutes. Moreover, saliva GDF15 exhibits a robust awakening response, declining by ∼42-92% within 30-45 minutes from its peak level at the time of waking up. Clinically, individuals with genetic mitochondrial OxPhos diseases show elevated baseline plasma and saliva GDF15, and post-stress GDF15 levels in both biofluids correlate with multi-system disease severity, exercise intolerance, and the subjective experience of fatigue. Taken together, our data establish the dynamic properties of saliva GDF15, reveal it as a stress-sensitive, and as a clinically relevant marker of mitochondrial diseases. These findings point to a shared psychobiological pathway integrating metabolic and mental stress.

Abstract Objective Psychosocial stress is transduced into disease risk through energy-dependent release of hormones that affect target organs, tissues, and cells. The magnitude of the physiological stress responses reflects both systemic levels of these hormones and the sensitivity of target tissues to their effects. Thus, differential expression of receptors across organs likely contributes to stress transduction. Here we provide a quantitative whole-body map of glucocorticoid and adrenergic receptor expression. Methods We systematically examined gene expression levels for the glucocorticoid receptor (GR), α- and β-adrenergic receptors (AR-α1B, AR-α2B AR-β2, and AR-β3), across 55 different organs using the Human Protein Atlas dataset. We also leveraged the Human Proteome Map and MitoCarta3.0 data to examine receptor protein levels and, given the energy-dependence of the stress response, the link between stress hormone receptor density and mitochondrial pathways. Finally, we tested the functional interplay between GR activation and AR expression in living human cells. Results The GR was expressed ubiquitously across all investigated organ systems. Immune tissues and cells expressed the highest GR RNA and protein levels. In contrast, AR subtypes showed lower and more localized expression patterns. Co-regulation was found between GR and AR-α1B, as well as between AR-α1B and AR-α2B. In human fibroblasts, activating the GR selectively increased AR-β2 (3.6-fold) and AR-α1B (2.2-fold) expression, confirming their interaction. Consistent with the energetic cost of stress responses, GR and AR expression were positively associated with the expression of key mitochondrial pathways. Conclusion Our results provide a cartography of GR and AR expression across the human body. Tissue-specific stress hormone receptor expression patterns could make specific organ systems more responsive to the sustained, energetically expensive, neuroendocrine signaling pathways triggered by chronic psychosocial stress.

Abstract The brain and behavior are under energetic constraints, limited by mitochondrial energy transformation capacity. However, the mitochondria-behavior relationship has not been systematically studied on a brain-wide scale. Here we examined the association between multiple features of mitochondrial respiratory chain capacity and stress-related behaviors in mice with diverse behavioral phenotypes. Miniaturized assays of mitochondrial respiratory chain enzyme activities and mitochondrial DNA (mtDNA) content were deployed on 571 samples across 17 brain areas, defining specific patterns of mito-behavior associations. By applying multi-slice network analysis to our brain-wide mitochondrial dataset, we identified three large-scale networks of brain areas with shared mitochondrial signatures. A major network composed of cortico-striatal areas exhibited the strongest mitochondria-behavior correlations, accounting for up to 50% of animal-to-animal behavioral differences, suggesting that this mito-based network is functionally significant. The mito-based brain networks also overlapped with regional gene expression and structural connectivity and quantitatively diverged in their molecular mitochondrial phenotype signatures. Therefore, this work provides convergent multimodal evidence anchored in enzyme activities, gene expression, and animal behavior that distinct, behaviorally-relevant mitochondrial phenotypes exist across the mouse brain.

Research on human brain development and neurological diseases is limited by the lack of advanced experimental in vitro models that truly recapitulate the complexity of the human brain. Furthermore, animal models of human neurodegenerative diseases have failed dramatically, and the success rate of clinical trials based on these models has been disappointing. Here, we describe a novel and robust human brain organoid system that is highly specific to the midbrain derived from regionally patterned neuroepithelial stem cells. These human midbrain organoids contain spatially organized groups of dopaminergic neurons, which make them an attractive model to study Parkinsons disease. Midbrain organoids are characterized in detail for neuronal, astroglial and oligodendrocyte differentiation. Furthermore, we show the presence of synaptic connections and electrophysiological activity. The complexity of this model is further highlighted by the myelination of neurites. The present midbrain organoid system has the potential to be used for advanced in vitro disease modeling and therapy development.

Abstract While efforts to identify microglial subtypes have recently accelerated, the relation of transcriptomically defined states to function has been largely limited to in silico annotations. Here, we characterize a set of pharmacological compounds that have been proposed to polarize human microglia towards two distinct states – one enriched for AD and MS genes and another characterized by increased expression of antigen presentation genes. Using different model systems including HMC3 cells, iPSC-derived microglia and cerebral organoids, we characterize the effect of these compounds in mimicking human microglial subtypes in vitro . We show that the Topoisomerase I inhibitor Camptothecin induces a CD74 high /MHC high microglial subtype which is specialized in amyloid beta phagocytosis. Camptothecin suppressed amyloid toxicity and restored microglia back to their homeostatic state in a zebrafish amyloid model. Our work provides avenues to recapitulate human microglial subtypes in vitro , enabling functional characterization and providing a foundation for modulating human microglia in vivo .

A major challenge in the field of neurodegenerative diseases is the poor translation of pre-clinical models to clinical applications. The human brain is an immensely complex structure, which makes it difficult to recapitulate its development, function and disorders. In the recent years, brain organoids derived from human induced pluripotent stem cells have risen as novel tools to study neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease (PD). PD is a multifactorial disorder, with aging, genetics and environmental factors as key etiological elements. The majority of the PD cases are idiopathic and proposed to result from a complex interaction between genetic predisposition and environmental exposure. Consequently, the identification of potentially disease causing environmental factors is of critical importance. Organoids, as complex multi-cellular tissue proxies, are an ideal tool to study cellular response to environmental changes. However, with increasing complexity of the system, usage of quantitative tools becomes challenging. This led us to develop an automated high-content image analysis pipeline for image-based cell profiling in the organoid system. Here, we introduce a midbrain organoid system that recapitulates features of neurotoxin-induced PD, representing a platform for machine-learning-assisted prediction of neurotoxicity in high-content imaging data. This model is a valuable tool for advanced in vitro PD modeling and for the screening of putative neurotoxic compounds.

Psychosocial experiences affect brain health and aging trajectories, but the molecular pathways underlying these associations remain unclear. Normal brain function relies heavily on energy transformation by mitochondria oxidative phosphorylation (OxPhos), and two main lines of evidence bi-directionally link mitochondria as both targets and drivers of psychosocial experiences. On the one hand, chronic stress exposure and possibly mood states alter multiple aspects of mitochondrial biology; and on the other hand, functional variations in mitochondrial OxPhos capacity alter social behavior, stress reactivity, and mood. However, knowledge on whether positive or negative psychosocial exposures and experiences are linked to mitochondrial biology in the human brain is currently unknown. By combining longitudinal antemortem assessments of psychosocial factors with postmortem brain (dorsolateral prefrontal cortex) proteomics in older adults, we found that positive experiences (e.g. higher well-being) are linked to greater abundance of the mitochondrial OxPhos machinery, whereas negative experiences (e.g. higher negative mood) are linked to lower OxPhos protein content. Combined, psychosocial factors explained 18% of the variance in the abundance of OxPhos complex I, the primary biochemical entry point that energizes brain mitochondria. To increase the sensitivity of our approach, we next interrogated mitochondrial psychobiological associations in specific neuronal and non-neuronal brain cells with single-nucleus RNA sequencing. These results revealed strong cell type specific associations, particularly between positive psychosocial experiences and molecular mitochondrial phenotypes in glial cells, whereas neurons tended to show opposite associations. Accordingly, in bulk transcriptomic analyses where all cells are pooled, these RNA-based associations were masked. Thus, our results highlight the likely underestimation of effect sizes in bulk brain tissues, and document novel cell type specific mitochondrial psychobiological associations in the human brain. Cell type specific mitochondrial recalibrations represent a potential psychobiological pathway linking positive and negative psychosocial experiences to human brain biology.