Abstract The dynamicity of the mitochondrial network is crucial for meeting the ever‐changing metabolic and energy needs of the cell. Mitochondrial fission promotes the degradation and distribution of mitochondria, while mitochondrial fusion maintains mitochondrial function through the complementation of mitochondrial components. Previously, we have reported that mitochondrial networks are tubular, interconnected, and well‐organized in young, healthy C. elegans , but become fragmented and disorganized with advancing age and in models of age‐associated neurodegenerative disease. In this work, we examine the effects of increasing mitochondrial fission or mitochondrial fusion capacity by ubiquitously overexpressing the mitochondrial fission gene drp‐1 or the mitochondrial fusion genes fzo‐1 and eat‐3 , individually or in combination. We then measured mitochondrial function, mitochondrial network morphology, physiologic rates, stress resistance, and lifespan. Surprisingly, we found that overexpression of either mitochondrial fission or fusion machinery both resulted in an increase in mitochondrial fragmentation. Similarly, both mitochondrial fission and mitochondrial fusion overexpression strains have extended lifespans and increased stress resistance, which in the case of the mitochondrial fusion overexpression strains appears to be at least partially due to the upregulation of multiple pathways of cellular resilience in these strains. Overall, our work demonstrates that increasing the expression of mitochondrial fission or fusion genes extends lifespan and improves biological resilience without promoting the maintenance of a youthful mitochondrial network morphology. This work highlights the importance of the mitochondria for both resilience and longevity.

Neurons are challenged to maintain proteostasis in neuronal projections, particularly with the physiological stress at synapses to support intercellular communication underlying important functions such as memory and movement control. Proteostasis is maintained through regulated protein synthesis and degradation and chaperone-assisted protein folding. Using high-resolution fluorescent microscopy, we discovered that neurons localize a subset of chaperone mRNAs to their dendrites, particularly more proximal regions, and increase this asymmetric localization following proteotoxic stress through microtubule-based transport from the soma. The most abundant chaperone mRNA in dendrites encodes the constitutive heat shock protein 70, HSPA8. Proteotoxic stress in cultured neurons, induced by inhibiting proteasome activity or inducing oxidative stress, enhanced transport of Hspa8 mRNAs to dendrites and the percentage of mRNAs engaged in translation on mono and polyribosomes. Knocking down the ALS-related protein Fused in Sarcoma (FUS) and a dominant mutation in the heterogenous nuclear ribonucleoprotein A2/B1 (HNRNPA2B1) impaired stress-mediated localization of Hspa8 mRNA to dendrites in cultured murine motor neurons and human iPSC-derived neurons, respectively, revealing the importance of these RNA-binding proteins in maintaining proteostasis. These results reveal the increased dendritic localization and translation of the constitutive HSP70 Hspa8 mRNA as a crucial neuronal stress response to uphold proteostasis and prevent neurodegeneration.

Protein misfolding and mislocalization are common themes in neurodegenerative disorders, including the motor neuron disease, amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Maintaining proteostasis is a crosscutting therapeutic target, including upregulation of heat shock proteins (HSP) to increase chaperoning capacity. Motor neurons have a high threshold for upregulating stress inducible HSPA1A, but constitutively express high levels of HSPA8. This study compared expression of these HSPs in cultured motor neurons expressing three variants linked to familial ALS: TDP-43G348C, FUSR521G or SOD1G93A. All variants were poor inducers of Hspa1a, and reduced levels of Hspa8 mRNA and protein, indicating multiple compromises in chaperoning capacity. To promote HSP expression, cultures were treated with the putative HSP co-inducer, arimoclomol, class I histone deacetylase (HDAC) inhibitors to promote active chromatin for transcription, and the combination. Treatments had variable, often different effects on expression of Hspa1a and Hspa8, depending on the ALS variant expressed, mRNA distribution (somata and dendrites), and biomarker of toxicity measured (histone acetylation, maintaining nuclear TDP-43 and the nBAF chromatin remodeling complex component Brg1, mitochondrial transport, FUS aggregation). Overall, HDAC inhibition alone was effective on more measures than arimoclomol. In the TDP-43 model, arimoclomol failed to induce HSPA1A or preserve Hspa8 mRNA, despite preserving nuclear TDP-43 and Brg1, indicating neuroprotective properties other than HSP induction. The data speak to the complexity of drug mechanisms against multiple biomarkers of ALS pathogenesis, as well as to the importance of HSPA8 for neuronal proteostasis in both somata and dendrites.