Summary

 Ever since eukaryotes subsumed the bacterial ancestor of mitochondria, the nuclear and mitochondrial genomes have had to closely coordinate their activities, as each encode different subunits of the oxidative phosphorylation (OXPHOS) system. Mitochondrial dysfunction is a hallmark of aging, but its causes are debated. We show that, during aging, there is a specific loss of mitochondrial, but not nuclear, encoded OXPHOS subunits. We trace the cause to an alternate PGC-1α/β-independent pathway of nuclear-mitochondrial communication that is induced by a decline in nuclear NAD⁺ and the accumulation of HIF-1α under normoxic conditions, with parallels to Warburg reprogramming. Deleting SIRT1 accelerates this process, whereas raising NAD⁺ levels in old mice restores mitochondrial function to that of a young mouse in a SIRT1-dependent manner. Thus, a pseudohypoxic state that disrupts PGC-1α/β-independent nuclear-mitochondrial communication contributes to the decline in mitochondrial function with age, a process that is apparently reversible.

Exercise can improve cognitive function and has been linked to the increased expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF). However, the underlying molecular mechanisms driving the elevation of this neurotrophin remain unknown. Here we show that FNDC5, a previously identified muscle protein that is induced in exercise and is cleaved and secreted as irisin, is also elevated by endurance exercise in the hippocampus of mice. Neuronal Fndc5 gene expression is regulated by PGC-1α, and Pgc1a(-/-) mice show reduced Fndc5 expression in the brain. Forced expression of FNDC5 in primary cortical neurons increases Bdnf expression, whereas RNAi-mediated knockdown of FNDC5 reduces Bdnf. Importantly, peripheral delivery of FNDC5 to the liver via adenoviral vectors, resulting in elevated blood irisin, induces expression of Bdnf and other neuroprotective genes in the hippocampus. Taken together, our findings link endurance exercise and the important metabolic mediators, PGC-1α and FNDC5, with BDNF expression in the brain.

Exercise training benefits many organ systems and offers protection against metabolic disorders such as obesity and diabetes. Using the recently identified isoform of PGC1-α (PGC1-α4) as a discovery tool, we report the identification of meteorin-like (Metrnl), a circulating factor that is induced in muscle after exercise and in adipose tissue upon cold exposure. Increasing circulating levels of Metrnl stimulates energy expenditure and improves glucose tolerance and the expression of genes associated with beige fat thermogenesis and anti-inflammatory cytokines. Metrnl stimulates an eosinophil-dependent increase in IL-4 expression and promotes alternative activation of adipose tissue macrophages, which are required for the increased expression of the thermogenic and anti-inflammatory gene programs in fat. Importantly, blocking Metrnl actions in vivo significantly attenuates chronic cold-exposure-induced alternative macrophage activation and thermogenic gene responses. Thus, Metrnl links host-adaptive responses to the regulation of energy homeostasis and tissue inflammation and has therapeutic potential for metabolic and inflammatory diseases.

Summary

 PGC-1α is a transcriptional coactivator induced by exercise that gives muscle many of the best known adaptations to endurance-type exercise but has no effects on muscle strength or hypertrophy. We have identified a form of PGC-1α (PGC-1α4) that results from alternative promoter usage and splicing of the primary transcript. PGC-1α4 is highly expressed in exercised muscle but does not regulate most known PGC-1α targets such as the mitochondrial OXPHOS genes. Rather, it specifically induces IGF1 and represses myostatin, and expression of PGC-1α4 in vitro and in vivo induces robust skeletal muscle hypertrophy. Importantly, mice with skeletal muscle-specific transgenic expression of PGC-1α4 show increased muscle mass and strength and dramatic resistance to the muscle wasting of cancer cachexia. Expression of PGC-1α4 is preferentially induced in mouse and human muscle during resistance exercise. These studies identify a PGC-1α protein that regulates and coordinates factors involved in skeletal muscle hypertrophy.

Many patients with cancer experience cachexia, a wasting disorder of adipose tissue and skeletal muscle that leads to weight loss and frailty; now, tumour-derived parathyroid-hormone-related protein has been shown to stimulate the expression of genes involved in heat production in adipose tissues and to have an important role in tissue wasting. Many cancer patients suffer from cachexia — a wasting disorder of adipose tissue and skeletal muscle leading to weight loss and frailty. A key characteristic of cachexia is increased energy expenditure, thought to be the result of elevated thermogenic activity of brown fat. In experiments with the Lewis lung carcinoma mouse model, Bruce Spiegelman and colleagues demonstrate that tumour-derived parathyroid-hormone-related protein (PTHrP) stimulates thermogenic gene expression in adipose tissues and plays an important role in tissue wasting. Neutralization of PTHrP blocks fat browning and halts muscle wasting . In an evaluation of 47 patients with cancer, the authors identified a PTHrP-positive subset, raising the possibility that targeting PTHrP might help to limit cancer cachexia and improve patient survival. Cachexia is a wasting disorder of adipose and skeletal muscle tissues that leads to profound weight loss and frailty. About half of all cancer patients suffer from cachexia, which impairs quality of life, limits cancer therapy and decreases survival. One key characteristic of cachexia is higher resting energy expenditure levels than in healthy individuals, which has been linked to greater thermogenesis by brown fat1,2,3,4,5,6. How tumours induce brown fat activity is unknown. Here, using a Lewis lung carcinoma model of cancer cachexia, we show that tumour-derived parathyroid-hormone-related protein (PTHrP) has an important role in wasting, through driving the expression of genes involved in thermogenesis in adipose tissues. Neutralization of PTHrP in tumour-bearing mice blocked adipose tissue browning and the loss of muscle mass and strength. Our results demonstrate that PTHrP mediates energy wasting in fat tissues and contributes to the broader aspects of cancer cachexia. Thus, neutralization of PTHrP might hold promise for ameliorating cancer cachexia and improving patient survival.

Summary

 Mammalian cells form dynamic cytoplasmic mRNA stress granules (SGs) in response to environmental stresses including viral infections. SGs are involved in regulating host mRNA function and metabolism, although their precise role during viral infection is unknown. SGs are thought to assemble based on functions of the RNA-binding proteins TIA-1/TIAR or Ras-GAP SH3 domain-binding protein (G3BP). Here, we investigated the relationship between a prototypical plus-strand RNA virus and SGs. Early during poliovirus infection, SG formation is induced, but as infection proceeds this ability is lost, and SGs disperse. Infection resulted in cleavage of G3BP, but not TIA-1 or TIAR, by poliovirus 3C proteinase. Expression of a cleavage-resistant G3BP restored SG formation during poliovirus infection and significantly inhibited virus replication. These results elucidate a mechanism for viral interference with mRNP metabolism and gene regulation and support a critical role of G3BP in SG formation and restriction of virus replication.

Flaviviruses infect hundreds of millions of people annually, and no antiviral therapy is available. We performed a genome-wide CRISPR/Cas9-based screen to identify host genes that, when edited, resulted in reduced flavivirus infection. Here, we validated nine human genes required for flavivirus infectivity, and these were associated with endoplasmic reticulum functions including translocation, protein degradation, and N-linked glycosylation. In particular, a subset of endoplasmic reticulum-associated signal peptidase complex (SPCS) proteins was necessary for proper cleavage of the flavivirus structural proteins (prM and E) and secretion of viral particles. Loss of SPCS1 expression resulted in markedly reduced yield of all Flaviviridae family members tested (West Nile, Dengue, Zika, yellow fever, Japanese encephalitis, and hepatitis C viruses), but had little impact on alphavirus, bunyavirus, or rhabdovirus infection or the surface expression or secretion of diverse host proteins. We found that SPCS1 dependence could be bypassed by replacing the native prM protein leader sequences with a class I major histocompatibility complex (MHC) antigen leader sequence. Thus, SPCS1, either directly or indirectly via its interactions with unknown host proteins, preferentially promotes the processing of specific protein cargo, and Flaviviridae have a unique dependence on this signal peptide processing pathway. SPCS1 and other signal processing pathway members could represent pharmacological targets for inhibiting infection by the expanding number of flaviviruses of medical concern.

Muscle wasting that occurs with cancer cachexia is caused by an imbalance in the rates of muscle protein synthesis and degradation. The Apc(Min/+) mouse is a model of colorectal cancer that develops cachexia that is dependent on circulating IL-6. However, the IL-6 regulation of muscle protein turnover during the initiation and progression of cachexia in the Apc(Min/+) mouse is not known. Cachexia progression was studied in Apc(Min/+) mice that were either weight stable (WS) or had initial (≤5%), intermediate (6-19%), or extreme (≥20%) body weight loss. The initiation of cachexia reduced %MPS 19% and a further ∼50% with additional weight loss. Muscle IGF-1 mRNA expression and mTOR targets were suppressed with the progression of body weight loss, while muscle AMPK phosphorylation (Thr 172), AMPK activity, and raptor phosphorylation (Ser 792) were not increased with the initiation of weight loss, but were induced as cachexia progressed. ATP dependent protein degradation increased during the initiation and progression of cachexia. However, ATP independent protein degradation was not increased until cachexia had progressed beyond the initial phase. IL-6 receptor antibody administration prevented body weight loss and suppressed muscle protein degradation, without any effect on muscle %MPS or IGF-1 associated signaling. In summary, the %MPS reduction during the initiation of cachexia is associated with IGF-1/mTOR signaling repression, while muscle AMPK activation and activation of ATP independent protein degradation occur later in the progression of cachexia. IL-6 receptor antibody treatment blocked cachexia progression through the suppression of muscle protein degradation, while not rescuing the suppression of muscle protein synthesis. Attenuation of IL-6 signaling was effective in blocking the progression of cachexia, but not sufficient to reverse the process.

SUMMARY Heterochronic parabiosis (HPB) is known for its functional rejuvenation effects across several mouse tissues. However, its impact on the biological age of organisms and their long-term health remains unknown. Here, we performed extended (3-month) HPB, followed by a 2-month detachment period of anastomosed pairs. Old detached mice exhibited improved physiological parameters and lived longer than control isochronic mice. HPB drastically reduced the biological age of blood and liver based on epigenetic analyses across several clock models on two independent platforms; remarkably, this rejuvenation effect persisted even after 2 months of detachment. Transcriptomic and epigenomic profiles of anastomosed mice showed an intermediate phenotype between old and young, suggesting a comprehensive multi-omic rejuvenation effect. In addition, old HPB mice showed transcriptome changes opposite to aging, but akin to several lifespan-extending interventions. Altogether, we reveal that long-term HPB can decrease the biological age of mice, in part through long-lasting epigenetic and transcriptome remodeling, culminating in the extension of lifespan and healthspan.