Cisplatin is one of the most effective and widely used anticancer agents for the treatment of several types of tumors. The cytotoxic effect of cisplatin is thought to be mediated primarily by the generation of nuclear DNA adducts, which, if not repaired, cause cell death as a consequence of DNA replication and transcription blockage. However, the ability of cisplatin to induce nuclear DNA (nDNA) damage per se is not sufficient to explain its high degree of effectiveness nor the toxic effects exerted on normal, post-mitotic tissues. Oxidative damage has been observed in vivo following exposure to cisplatin in several tissues, suggesting a role for oxidative stress in the pathogenesis of cisplatin-induced dose-limiting toxicities. However, the mechanism of cisplatin-induced generation of ROS and their contribution to cisplatin cytotoxicity in normal and cancer cells is still poorly understood. By employing a panel of normal and cancer cell lines and the budding yeast Saccharomyces cerevisiae as model system, we show that exposure to cisplatin induces a mitochondrial-dependent ROS response that significantly enhances the cytotoxic effect caused by nDNA damage. ROS generation is independent of the amount of cisplatin-induced nDNA damage and occurs in mitochondria as a consequence of protein synthesis impairment. The contribution of cisplatin-induced mitochondrial dysfunction in determining its cytotoxic effect varies among cells and depends on mitochondrial redox status, mitochondrial DNA integrity and bioenergetic function. Thus, by manipulating these cellular parameters, we were able to enhance cisplatin cytotoxicity in cancer cells. This study provides a new mechanistic insight into cisplatin-induced cell killing and may lead to the design of novel therapeutic strategies to improve anticancer drug efficacy.

Integrin-mediated reorganization of cell shape leads to an altered cellular phenotype. Disruption of the actin cytoskeleton, initiated by binding of soluble antibody to α5β1 integrin, led to increased expression of the collagenase-1 gene in rabbit synovial fibroblasts. Activation of the guanosine triphosphate–binding protein Rac1, which was downstream of the integrin, was necessary for this process, and expression of activated Rac1 was sufficient to increase expression of collagenase-1. Rac1 activation generated reactive oxygen species that were essential for nuclear factor kappa B–dependent transcriptional regulation of interleukin-1α, which, in an autocrine manner, induced collagenase-1 gene expression. Remodeling of the extracellular matrix and consequent alterations of integrin-mediated adhesion and cytoarchitecture are central to development, wound healing, inflammation, and malignant disease. The resulting activation of Rac1 may lead to altered gene regulation and alterations in cellular morphogenesis, migration, and invasion.

ABSTRACT In contrast to the vast majority of research that has focused on the immediate effects of ionizing radiation, this work concentrates on the molecular mechanism driving delayed effects that emerge in the progeny of the exposed cells. We employed functional protein arrays to identify molecular changes induced in a human bronchial epithelial cell line (HBEC3-KT) and osteosarcoma cell line (U2OS) and evaluated their impact on outcomes associated with radiation induced genomic instability (RIGI) at day 5 and 7 post-exposure to a 2Gy X-ray dose, which revealed replication stress in the context of increased FOXM1 expression. Irradiated cells had reduced DNA replication rate detected by the DNA fiber assay and increased DNA resection detected by RPA foci and phosphorylation. Irradiated cells increased utilization of homologous recombination-dependent repair detected by a gene conversion assay and DNA damage at mitosis reflected by RPA positive chromosomal bridges, micronuclei formation and 53BP1 positive bodies in G1, all known outcomes of replication stress. Interference with the function of FOXM1, a transcription factor widely expressed in cancer, employing an aptamer, decreased radiation-induced micronuclei formation and cell transformation while plasmid-driven overexpression of FOXM1b was sufficient to induce replication stress, micronuclei formation and cell transformation.

Abstract Recent advances in the genetics of schizophrenia (SCZ) have identified rare variants that confer high disease risk, including a 1.6 Mb deletion at chromosome 3q29 with a staggeringly large effect size (O.R. > 40). Understanding the impact of the 3q29 deletion (3q29Del) on the developing CNS may therefore lead to insights about the pathobiology of schizophrenia. To gain clues about the molecular and cellular perturbations caused by the 3q29 deletion, we interrogated transcriptomic effects in two experimental model systems with complementary advantages: isogenic human forebrain cortical organoids and isocortex from the 3q29Del mouse model. We first created isogenic lines by engineering the full 3q29Del into an induced pluripotent stem cell line from a neurotypical individual. We profiled transcriptomes from isogenic cortical organoids that were aged for 2 months and 12 months, as well as day p7 perinatal mouse isocortex, all at single cell resolution. Differential expression analysis by genotype in each cell-type cluster revealed that more than half of the differentially expressed genes identified in mouse cortex were also differentially expressed in human cortical organoids, and strong correlations were observed in mouse-human differential gene expression across most major cell-types. We systematically filtered differentially expressed genes to identify changes occurring in both model systems. Pathway analysis on this filtered gene set implicated dysregulation of mitochondrial function and energy metabolism, although the direction of the effect was dependent on developmental timepoint. Transcriptomic changes were validated at the protein level by analysis of oxidative phosphorylation protein complexes in mouse brain tissue. Assays of mitochondrial function in human heterologous cells further confirmed robust mitochondrial dysregulation in 3q29Del cells, and these effects are partially recapitulated by ablation of the 3q29Del gene PAK2 . Taken together these data indicate that metabolic disruption is associated with 3q29Del and is conserved across species. These results converge with data from other rare SCZ-associated variants as well as idiopathic schizophrenia, suggesting that mitochondrial dysfunction may be a significant but overlooked contributing factor to the development of psychotic disorders. This cross-species scRNA-seq analysis of the SCZ-associated 3q29 deletion reveals that this copy number variant may produce early and persistent changes in cellular metabolism that are relevant to human neurodevelopment.

Abstract Prolonged manganese exposure causes manganism, a neurodegenerative movement disorder. The identity of adaptive and non-adaptive cellular processes targeted by manganese remains mostly unexplored. Here we study mechanisms engaged by manganese in genetic cellular models known to increase susceptibility to manganese exposure, the plasma membrane manganese efflux transporter SLC30A10 and the mitochondrial Parkinson’s gene PARK2. We found that SLC30A10 and PARK2 mutations as well as manganese exposure compromised the mitochondrial RNA granule as well as mitochondrial transcript processing. These RNA granule defects led to impaired assembly and function of the mitochondrial respiratory chain. Notably, cells that survived a cytotoxic manganese challenge had impaired RNA granule function, thus suggesting that this granule phenotype was adaptive. CRISPR gene editing of subunits of the mitochondrial RNA granule, FASTKD2 or DHX30, as well as pharmacological inhibition of mitochondrial transcription-translation, were protective rather than deleterious for survival of cells acutely exposed to manganese. Similarly, adult Drosophila mutants with defects in the mitochondrial RNA granule component scully were safeguarded from manganese-induced mortality. We conclude that the downregulation of the mitochondrial RNA granule function is a protective mechanism for acute metal toxicity. Significance Statement Mutations in the manganese efflux transporter SLC30A10 and the mitochondrial Parkinson’s gene PARK2, cause neurodegeneration and increased susceptibility to toxic manganese exposure. Thus, molecular processes affected in both mutants could offer insight into fundamental mechanisms conferring susceptibility or resilience to environmental and genetic factors associated with neurodegeneration. Here we report that SLC30A10 and PARK2 mutations compromise an understudied structure, the mitochondrial RNA granule, which is required for processing polycistronic mitochondrial RNAs. Cells and Drosophila lacking mitochondrial RNA granule components were resistant to manganese exposure. We conclude that the downregulation of the mitochondrial RNA granule function is an adaptive mechanism for cells exposed to manganese.

Abstract Mitochondria influence cellular function through both cell-autonomous and non-cell autonomous mechanisms, such as production of paracrine and endocrine factors. Here, we demonstrate that mitochondrial regulation of the secretome is more extensive than previously appreciated, as both genetic and pharmacological disruption of the electron transport chain caused upregulation of the Alzheimer’s disease risk factor apolipoprotein E (APOE) and other secretome components. This upregulation of secretory proteins was of a similar extent as modifications to the mitochondrial annotated proteome. Indirect disruption of the electron transport chain by gene editing of SLC25A mitochondrial membrane transporters as well as direct genetic and pharmacological disruption of either complexes I, III, or the copper-containing complex IV of the electron transport chain, elicited upregulation of APOE transcript, protein, and secretion, up to 49-fold. These APOE phenotypes were robustly expressed in diverse cell types and iPSC-derived human astrocytes as part of an inflammatory gene expression program. Moreover, age- and genotype-dependent decline in brain levels of respiratory complex I preceded an increase in APOE in the 5xFAD mouse model. We propose that mitochondria act as novel upstream regulators of APOE-dependent cellular processes in health and disease.

Eukaryotic cells maintain proteostasis through mechanisms that require cytoplasmic and mitochondrial translation. Genetic defects affecting cytoplasmic translation perturb synapse development, neurotransmission, and are causative of neurodevelopmental disorders such as Fragile X syndrome. In contrast, there is little indication that mitochondrial proteostasis, either in the form of mitochondrial protein translation and/or degradation, is required for synapse development and function. Here we focus on two genes deleted in a recurrent copy number variation causing neurodevelopmental disorders, the 22q11.2 microdeletion syndrome. We demonstrate that SLC25A1 and MRPL40, two genes present in this microdeleted segment and whose products localize to mitochondria, interact and are necessary for mitochondrial protein translation and proteostasis. Our Drosophila studies show that mitochondrial ribosome function is necessary for synapse neurodevelopment, function, and behavior. We propose that mitochondrial proteostasis perturbations, either by genetic or environmental factors, are a novel pathogenic mechanism for neurodevelopmental disorders.

Rare inherited diseases caused by mutations in the copper transporters

Neurodevelopmental disorders offer insight into synaptic mechanisms. To unbiasedly uncover these mechanisms, we studied the 22q11.2 syndrome, a recurrent copy number variant, which is the highest schizophrenia genetic risk factor. We quantified the proteomes of 22q11.2 mutant human fibroblasts and mouse brains carrying a 22q11.2-like defect, Df(16)A+/-. Molecular ontologies defined mitochondrial compartments and pathways as some of top ranked categories. In particular, we identified perturbations in the SLC25A1-SLC25A4 mitochondrial transporter interactome as associated with the 22q11.2 genetic defect. Expression of SLC25A1-SLC25A4 interactome components was affected in neuronal cells from schizophrenia patients. Furthermore, hemideficiency of the Drosophila SLC25A4 orthologue, dSLC25A4-sesB, affected synapse function and impaired sleep patterns in a neuronal-specific manner. These results identify a novel synaptic role of mitochondrial inner membrane solute transporters. We propose that mitochondria are among key organelles affected by genetic defects that increase the risk of neurodevelopmental disorders.

ABSTRACT Microglia are the resident immune cells of the brain and regulate the brain’s inflammatory state. In neurodegenerative diseases, microglia transition from a homeostatic state to a state referred to as disease associated microglia (DAM). DAM express higher levels of proinflammatory signaling, like STAT1 and TLR2, and show transitions in mitochondrial activity toward a more glycolytic response. Inhibition of Kv1.3 decreases the proinflammatory signature of DAM, though how Kv1.3 influences the response is unknown. Our goal was to establish the potential proteins interacting with Kv1.3 during the TLR4-mendiated transition to DAM. We utilized TurboID, a biotin ligase, fused to Kv1.3 to evaluate the potential interacting proteins with Kv1.3 via mass spectrometry in BV-2 microglia during an immune response. Electrophysiology, western blots, and flow cytometry were used to evaluate Kv1.3 channel presence and TurboID biotinylation activity. We hypothesized that Kv1.3 contains domain-specific interactors that vary during an TLR4-induced inflammatory response, some of which are dependent on the PDZ-binding domain on the C-terminus. We determined that the N-terminus of Kv1.3 is responsible for trafficking Kv1.3 to the cell surface and mitochondria ( e.g. NUNDC, TIMM50). The C-terminus interacts with immune signaling proteins in an LPS-induced inflammatory response ( e.g. STAT1, TLR2, and C3). There are 70 proteins that rely on the c-terminal PDZ-binding domain to interact with Kv1.3 ( i.e. ND3, Snx3, and Sun1). Overall, we highlight that the Kv1.3 potassium channel functions beyond outward flux of potassium in an inflammatory context and contributes to activity of key immune signaling proteins, such as STAT1 and C3. MAIN POINTS Kv1.3 channels are highly abundant in pro-inflammatory microglia in neurological diseases. Kv1.3 channels may regulate microglial functions by interacting with other proteins via its N and C terminal domains. Using proximity-based proteomics, we identified several novel proteins that interact with the N and C terminus of Kv1.3 channels, some of which are domain-specific. Kv1.3 channels in microglia interact with many immune signaling proteins, including Tlr2, Stat1 and integrins. Under homeostatic conditions, the N-terminus of Kv1.3 interacts with proteins involved in protein trafficking, to the cell surface and mitochondria. The PDZ-binding region was an important determinant of the C terminal interactome. During an LPS-induced inflammatory response, the C-terminus of Kv1.3 uniquely interacts with immune and signaling proteins of disease relevance, including STAT1