ABSTRACT Oxidative phosphorylation and glycolysis are the dominant ATP-generating pathways in mammalian metabolism. The balance between these two pathways is often shifted to execute cell-specific functions in response to stimuli that promote activation, proliferation, or differentiation. However, measurement of these metabolic switches has remained mostly qualitative, making it difficult to discriminate between healthy, physiological changes in energy transduction or compensatory responses due to metabolic dysfunction. We therefore developed a broadly applicable method to calculate ATP production rates from oxidative phosphorylation and glycolysis using Seahorse XF Analyzer data. We quantified the bioenergetic changes observed during macrophage polarization as well as cancer cell adaptation to in vitro culture conditions. Additionally, we detected substantive changes in ATP utilization upon neuronal depolarization and T cell receptor activation that are not evident from steady-state ATP measurements. This method generates a single readout that allows the direct comparison of ATP produced from oxidative phosphorylation and glycolysis in live cells. Additionally, the manuscript provides a framework for tailoring the calculations to specific cell systems or experimental conditions.

Abstract Proteinaceous cysteines function as essential sensors of cellular redox state. Consequently, defining the cysteine redoxome is a key challenge for functional proteomic studies. While proteome-wide inventories of cysteine oxidation state are readily achieved using established, widely adopted proteomic methods such as OxiCat, Biotin Switch, and SP3-Rox, they typically assay bulk proteomes and therefore fail to capture protein localization-dependent oxidative modifications. To obviate requirements for laborious biochemical fractionation, here, we develop and apply an unprecedented two step cysteine capture method to establish the Local Cysteine Capture (Cys-LoC), and Local Cysteine Oxidation (Cys-LOx) methods, which together yield compartment-specific cysteine capture and quantitation of cysteine oxidation state. Benchmarking of the Cys-LoC method across a panel of subcellular compartments revealed more than 3,500 cysteines not previously captured by whole cell proteomic analysis. Application of the Cys-LOx method to LPS stimulated murine immortalized bone marrow-derived macrophages (iBMDM), revealed previously unidentified mitochondria-specific inflammation-induced cysteine oxidative modifications including those associated with oxidative phosphorylation. These findings shed light on post-translational mechanisms regulating mitochondrial function during the cellular innate immune response.

Abstract Prostate cancer cells that survive clinical androgen receptor (AR) blockade mediate disease progression and lethality. Reprogrammed metabolic signaling is one mechanism by which tumor cells can survive treatment. However, how AR inhibition reprograms metabolism, and whether altered metabolism can be exploited to eradicate cells that survive AR blockade, remains unclear. Here, we comprehensively characterized the effect of AR blockade on prostate cancer metabolism using transcriptomics, metabolomics, and bioenergetics approaches. AR inhibition maintains oxidative mitochondrial metabolism and reduces glycolytic signaling, through hexokinase II downregulation and decreased MYC activity. Robust elongation of mitochondria via reduced DRP1 activity supports cell fitness after AR blockade. In addition, AR inhibition enhances sensitivity to complex I inhibitors in several models, suggesting that AR blockade increases reliance on oxidative mitochondrial metabolism. Our study provides an enhanced understanding of how AR inhibition alters metabolic signaling and highlights the potential of therapies that target metabolic vulnerabilities in AR-inhibited cells.

ABSTRACT Metabolites and metabolic co-factors can shape the innate immune response, though the pathways by which these molecules adjust inflammation remain incompletely understood. Here we show that the metabolic cofactor Coenzyme A (CoA) enhances IL-4 driven alternative macrophage activation [m(IL-4)] in vitro and in vivo . Unexpectedly, we found that perturbations in intracellular CoA metabolism did not influence m(IL-4) differentiation. Rather, we discovered that exogenous CoA provides a weak TLR4 signal which primes macrophages for increased receptivity to IL-4 signals and resolution of inflammation via MyD88. Mechanistic studies revealed MyD88-linked signals prime for IL-4 responsiveness, in part, by reshaping chromatin accessibility to enhance transcription of IL-4-linked genes. The results identify CoA as a host metabolic co-factor that influences macrophage function through an extrinsic TLR4-dependent mechanism, and suggests that damage-associated molecular patterns (DAMPs) can prime macrophages for alternative activation and resolution of inflammation.

Objectives: Pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes are phenotypically immature, which limits their utility in downstream applications. Metabolism is dramatically reprogramed during cardiac maturation in vivo and presents a potential avenue to drive in vitro maturation. We aimed to identify and address metabolic bottlenecks in the generation of human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiomyocytes. Methods: hPSCs were differentiated into cardiomyocytes using an established, chemically-defined differentiation protocol. We applied 13C metabolic flux analysis (MFA) and targeted transcriptomics to characterize cardiomyocyte metabolism in during differentiation in the presence or absence of exogenous lipids. Results: hPSC-derived cardiomyocytes induced some cardiometabolic pathways (i.e. ketone body and branched-chain amino acid oxidation) but failed to effectively activate fatty acid oxidation. MFA studies indicated that lipid availability in cultures became limited during differentiation, suggesting potential issues with nutrient availability. Exogenous supplementation of lipids improved cardiomyocyte morphology, mitochondrial function, and promoted increased fatty acid oxidation in hPSC-derivatives. Conclusion: hPSC-derived cardiomyocytes are dependent upon exogenous sources of lipids for metabolic maturation. Proper supplementation removes a potential roadblock in the generation of metabolically mature cardiomyocytes. These studies further highlight the importance of considering and exploiting metabolic phenotypes in the in vitro production and utilization of functional hPSC-derivatives.

Pancreatic β-cell physiology changes substantially throughout life; yet, the mechanisms that drive these changes are poorly understood. Here, we performed comprehensive in vivo quantitative proteomic profiling of pancreatic islets from adolescent and one-year-old mice. The analysis revealed striking differences in abundance of enzymes controlling glucose metabolism. We show that these changes in protein abundance are associated with higher activities of glucose metabolic enzymes involved in coupling factor generation as well as increased activity of the coupling factor-dependent amplifying pathway of insulin secretion. Nutrient tracing and targeted metabolomics demonstrated accelerated accumulation of glucose-derived metabolites and coupling factors in islets from one-year-old mice, indicating that age-related changes in glucose metabolism contribute to improved glucose-stimulated insulin secretion with age. Together, our study provides the first in-depth characterization of age-related changes in the islet proteome and establishes metabolic rewiring as an important mechanism for age-associated changes in β-cell function.

Futile lipid cycling is an ATP-wasting process proposed to participate in energy expenditure of mature fat-storing white adipocytes, given their inability to oxidize fat. The hallmark of activated brown adipocytes is to increase fat oxidation by uncoupling respiration from ATP synthesis. Whether ATP-consuming lipid cycling can contribute to BAT energy expenditure has been largely unexplored. Here we find that pharmacological inhibition of the mitochondrial pyruvate carrier (MPC) in brown adipocytes is sufficient to increase ATP-synthesis fueled by fatty acid oxidation, even in the absence of adrenergic stimulation. We find that elevated ATP-demand induced by MPC inhibition results from activation of futile lipid cycling. Furthermore, we identify that glutamine consumption and the Malate-Aspartate Shuttle are required for the increase in Energy Expenditure induced by MPC inhibition in Brown Adipocytes (MAShEEBA). These data demonstrate that futile energy expenditure through lipid cycling can be activated in BAT by altering fuel availability to mitochondria. Therefore, we identify a new mechanism to increase fat oxidation and energy expenditure in BAT that bypasses the need for adrenergic stimulation of mitochondrial uncoupling.

Elevated levels of branched chain amino acids (BCAAs) and branched-chain α-ketoacids (BCKAs) are associated with cardiovascular and metabolic disease, but the molecular mechanisms underlying a putative causal relationship remain unclear. The branched-chain ketoacid dehydrogenase kinase (BCKDK) inhibitor BT2 is often used in preclinical models to increase BCAA oxidation and restore steady-state BCAA and BCKA levels. BT2 administration is protective in various rodent models of heart failure and metabolic disease, but confoundingly, targeted ablation of Bckdk in specific tissues does not reproduce the beneficial effects conferred by pharmacologic inhibition. Here we demonstrate that BT2, a lipophilic weak acid, can act as a mitochondrial uncoupler. Measurements of oxygen consumption, mitochondrial membrane potential, and patch-clamp electrophysiology show BT2 increases proton conductance across the mitochondrial inner membrane independently of its inhibitory effect on BCKDK. BT2 is roughly five-fold less potent than the prototypical uncoupler 2,4-dinitrophenol (DNP), and phenocopies DNP in lowering de novo lipogenesis and mitochondrial superoxide production. The data suggest the therapeutic efficacy of BT2 may be attributable to the well-documented effects of mitochondrial uncoupling in alleviating cardiovascular and metabolic disease.

Glioblastoma (GBM) metabolism has traditionally been characterized by a dependence on aerobic glycolysis, prompting use of the ketogenic diet as a potential therapy. We observed growth-promoting effects on U87 GBM of both ketone body and fatty acid (FA) supplementation under physiological glucose conditions. An in vivo assessment of the unrestricted ketogenic diet surprisingly resulted in increased tumor growth and decreased animal survival. These effects are abrogated by FAO inhibition using knockdown of carnitine palmitoyltransferase 1 (CPT1). Primary patient GBM cultures revealed significant utilization of FAO regardless of tumorigenic mutational status and decreased proliferation, increased apoptosis, and elevated mitochondrial ROS production with CPT1 inhibition. Metabolomic tracing with 13C-labeled fatty acids showed significant FA utilization within the TCA cycle, indicating that FAO is used for both bioenergetics and production of key intermediates. These data demonstrate important roles for FA and ketone body metabolism that could serve to improve targeted therapies in GBM.

ABSTRACT Pro-inflammatory macrophage activation is a hallmark example of how mitochondria serve as signaling organelles. Upon classical macrophage activation, oxidative phosphorylation sharply decreases and mitochondria are repurposed to accumulate signals that amplify effector function. However, evidence is conflicting as to whether this collapse in respiration is essential or largely dispensable. Here we systematically examine this question and show that reduced oxidative phosphorylation is not required for pro-inflammatory macrophage activation. Only stimuli that engage both MyD88- and TRIF-linked pathways decrease mitochondrial respiration, and different pro-inflammatory stimuli have varying effects on other bioenergetic parameters. Additionally, pharmacologic and genetic models of electron transport chain inhibition show no direct link between respiration and pro-inflammatory activation. Studies in mouse and human macrophages also reveal accumulation of the signaling metabolites succinate and itaconate can occur independently of characteristic breaks in the TCA cycle. Finally, in vivo activation of peritoneal macrophages further demonstrates that a pro-inflammatory response can be elicited without reductions to oxidative phosphorylation. Taken together, the results suggest the conventional model of mitochondrial reprogramming upon macrophage activation is incomplete.