Ferroptotic death is the penalty for losing control over three processes—iron metabolism, lipid peroxidation and thiol regulation—that are common in the pro-inflammatory environment where professional phagocytes fulfill their functions and yet survive. We hypothesized that redox reprogramming of 15-lipoxygenase (15-LOX) during the generation of pro-ferroptotic signal 15-hydroperoxy-eicosa-tetra-enoyl-phosphatidylethanolamine (15-HpETE-PE) modulates ferroptotic endurance. Here, we have discovered that inducible nitric oxide synthase (iNOS)/NO•-enrichment of activated M1 (but not alternatively activated M2) macrophages/microglia modulates susceptibility to ferroptosis. Genetic or pharmacologic depletion/inactivation of iNOS confers sensitivity on M1 cells, whereas NO• donors empower resistance of M2 cells to ferroptosis. In vivo, M1 phagocytes, in comparison to M2 phagocytes, exert higher resistance to pharmacologically induced ferroptosis. This resistance is diminished in iNOS-deficient cells in the pro-inflammatory conditions of brain trauma or the tumour microenvironment. The nitroxygenation of eicosatetraenoyl (ETE)-PE intermediates and oxidatively truncated species by NO• donors and/or suppression of NO• production by iNOS inhibitors represent a novel redox mechanism of regulation of ferroptosis in pro-inflammatory conditions. Susceptibility to ferroptosis can be modulated by nitric oxide (NO•) and NO synthase iNOS and through enrichment of activated M1 macrophages. NO inhibits the lipoxygenase 15-LOX that drives production of pro-ferroptotic lipids in macrophages.

Summary MYC proto-oncogene dysregulation alters metabolism, translation and other functions in ways that support tumor induction and maintenance. Although Myc+/- mice are healthier and longer-lived than control mice, the long-term ramifications of more complete Myc loss remain unknown. We now describe the chronic consequences of body-wide Myc inactivation initiated postnatally. “ Myc KO” mice acquire numerous features of premature aging including altered body composition and habitus, metabolic dysfunction, hepatic steatosis and the dysregulation of numerous gene sets involved in functions that normally deteriorate with aging. Yet, Myc KO mice have extended life spans that correlate with a 3-4-fold lower lifetime cancer incidence. Aging tissues from normal mice and humans also down-regulate Myc and gradually deregulate many of the same Myc target gene sets that are dysregulated in Myc KO mice. Normal aging and its associated cancer predisposition are thus highly linked via Myc and its target genes and can be genetically separated.

Abstract Background Hypoplastic left heart syndrome (HLHS), a severe congenital heart disease, is associated with poor neurodevelopmental outcomes, microcephaly, reduced cortical brain volume, brain dysmaturation, and neurobehavioral disorders such as autism. The involvement of patient intrinsic factors was indicated, but the mechanism is largely unknown. Methods Ohia mice with HLHS causing mutations in chromatin modifier Sin3A-associated protein 130 ( Sap130 ) and cell adhesion protein ProtocadherinA9 ( Pcdha9) were investigated for brain abnormalities by histology, immunomicroscopy, and molecular profiling by RNAseq, Sap130 ChIPseq, and genome-wide methylome analysis. Additionally, adult viable Pcdha9 m/m and Emx1-cre:Sap130 f/− mice with forebrain deletion of Sap130 were examined by brain MRI and behavioral assessments. Results Ohia mice have brain abnormalities comprising forebrain hypoplasia and microcephaly in conjunction with a cortical neurogenesis defect. This is associated with loss of intermediate progenitors due to mitotic arrest and apoptosis from multipolar spindle formation, a mechanism also observed in primary microcephaly. Brain RNAseq showed perturbation of REST transcriptional regulation of neurogenesis, disruption of CREB signaling regulating synaptic plasticity and memory, and defects in neurovascular coupling indicating perturbation of brain-sparing cerebral autoregulation. Disease pathways recovered included autism, intellectual disability, and other neurobehavioral/neurological deficits. These same pathways were observed upon intersection of genes that are differentially expressed with those that are differentially methylated and also are ChIPseq targets of Sap130, suggesting the transcriptional changes are epigenetically regulated. Adult viable mice harboring either the Pcdha9 mutation or forebrain-specific Sap130 deletion showed similar learning/memory deficits and autism-like behavior, suggesting they act on convergent pathways. Conclusions Our observations indicate the intrinsic factors contributing to the adverse neurodevelopmental outcome associated with HLHS involve spindle defects causing impaired corticoneurogenesis, and brain and behavioral deficits associated with perturbed epigenetic regulation of neurodevelopmental pathways. Novelty and Significance What is known? Hypoplastic left heart syndrome (HLHS), a severe congenital heart disease, is associated with adverse neurodevelopmental outcome attributable to patient intrinsic factors. Cortical neurogenesis defect with reduced brain volume and microcephaly are observed beginning in utero, suggesting a developmental etiology. Learning impairment and autism spectrum disorder are commonly observed in HLHS. What new information does this article contribute? The Ohia HLHS mouse model exhibits neurodevelopmental deficits comprising microcephaly and cortical neurogenesis defects with loss of neural progenitors from multipolar spindle formation, as well as impaired neurovascular coupling. Molecular profiling showed disturbance of REST, transcriptional regulator of neural stem cells, and CREB signaling regulating synaptic plasticity, with neurobehavioral assessments of the mutant mice showing learning/memory and autism-like behavioral deficits. Intersection of transcriptome and DNA methylation analyses uncovered an epigenetic basis for the neurodevelopmental/neurobehavioral abnormalities, Analysis of an HLHS mouse model indicated patient intrinsic factors causing adverse neurodevelopment in HLHS are genetic and epigenetic in etiology. This may include a mitotic spindle defect that would not be rescued by in utero aortic valvuloplasty, and a defect in neurovascular coupling that is likely to reduce the efficacy of maternal hyperoxygenation. However, epigenetic therapy may provide a new avenue for treatment that should be explored.

The placenta is a transient organ critical for fetal development. Disruptions of normal placental functions can impact health throughout an individual's entire life. Although being recognized by the NIH Human Placenta Project as an important organ, the placenta remains understudied, partly because of a lack of non-invasive tools for longitudinally evaluation for key aspects of placental functionalities.

ABSTRACT The placenta is a transient organ critical for fetal development. Disruptions of normal placental functions can impact health throughout an individual’s entire life. Although being recognized by the NIH Human Placenta Project as an important organ, the placenta remains understudied, partly because of a lack of non-invasive tools for longitudinally evaluation for key aspects of placental functionalities. Non-invasive imaging that can longitudinally probe murine placental health in vivo are critical to understanding placental development throughout pregnancy. We developed advanced imaging processing schemes to establish functional biomarkers for non-invasive longitudinal evaluation of placental development. We developed a dynamic contrast enhancement magnetic resonance imaging (DCE-MRI) pipeline combined with advanced image process methods to model uterine contraction and placental perfusion dynamics. Our novel imaging pipeline uses subcutaneous administration of gadolinium for steepest-slope based perfusion evaluation. This enables non-invasive longitudinal monitoring. Additionally, we advance the placental perfusion chamber paradigm with a novel physiologically-based threshold model for chamber localization and demonstrate spatially varying placental chambers using multiple functional metrics that assess mouse placental development and continuing remodeling throughout gestation. Lastly, using optic flow to quantify placental motions arisen from uterine contractions in conjunction with time-frequency analysis, we demonstrated that the placenta exhibited asymmetric contractile motion.

Abstract Polyamines (putrescine, spermidine, and spermine) are essential molecules for normal cellular functions and are subject to strict metabolic regulation. Mutations in the gene encoding spermine synthase (SMS) lead to accumulation of spermidine in an X-linked recessive disorder known as Snyder-Robinson syndrome (SRS). Presently, no treatments exist for this rare disease that manifests with a spectrum of symptoms including intellectual disability, developmental delay, thin habitus, and low muscle tone. The development of therapeutic interventions for SRS will require a suitable disease-specific animal model that recapitulates many of the abnormalities observed in patients. Here, we characterize the molecular, behavioral, and neuroanatomical features of a mouse model with a missense mutation in Sms gene that results in a glycine-to-serine substitution at position 56 (G56S) of the SMS protein. Mice harboring this mutation exhibit a complete loss of SMS protein and elevated spermidine/spermine ratio in skeletal muscles and the brain. In addition, the G56S mice demonstrate increased anxiety, impaired learning, and decreased explorative behavior in fear conditioning, Morris water maze, and open field tests, respectively. Furthermore, these mice failed to gain weight over time and exhibit abnormalities in brain structure and bone density. Transcriptomic analysis of the cerebral cortex revealed downregulation of genes associated with mitochondrial oxidative phosphorylation and ribosomal protein synthesis. Our findings also revealed impaired mitochondrial bioenergetics in fibroblasts isolated from the G56S mice, indicating a correlation between these processes in the affected mice. Collectively, our findings establish the first in-depth characterization of an SRS preclinical mouse model that identifies cellular processes that could be targeted for future therapeutic development.

Abstract Neuroblastoma, the most common extracranial solid malignancy in children, accounts for 15% of pediatric cancer deaths despite multimodal therapy including surgical resection. Unfortunately, complete surgical resection remains challenging due to encasement of major neurovascular structures, unclear tumor margins, and remote nodal disease. While mouse models of neuroblastoma are extremely valuable for studying tumor biology and medical treatments, the small size renders the mouse model insufficient to evaluate novel surgical therapy. Here, we have developed a novel rat model of neuroblastoma to facilitate further development of surgical treatment. Human neuroblastoma cells (SK-N-BE(2)) were injected into the adrenal gland of RNU nude rats. They developed 2 cm xenograft tumors at 5 weeks which were easily identifiable on MRI imaging and on visual inspection. The rats began losing weight and neared end stage at 7 weeks, at which point surgical resection was attempted. While surgical resection was technically feasible, the rats were too frail to survive surgery at the late stage. The pathology of the tumors was consistent with neuroblastoma: small round blue cells with strong PHOX2B staining. Thus, we present a novel rat neuroblastoma model that can be used for development of surgical techniques, such as the use of intraoperative contrast agents.

One million patients with congenital heart disease (CHD) live in the US. They have a lifelong risk of developing heart failure. Current concepts do not sufficiently address mechanisms of heart failure development specifically for these patients. We show that cardiomyocyte cytokinesis failure is increased in tetralogy of Fallot with pulmonary stenosis (ToF/PS), a common form of CHD. Labeling of a ToF/PS baby with isotope-tagged thymidine showed cytokinesis failure after birth. We used single-cell transcriptional profiling to discover that the underlying mechanism is repression of the cytokinesis gene ECT2, and show that this is downstream of β-adrenergic receptors (β-AR). Inactivation of the β-AR genes and administration of the β-blocker propranolol increased cardiomyocyte division in neonatal mice, which increased the endowment and conferred benefit after myocardial infarction in adults. Propranolol enabled the division of ToF/PS cardiomyocytes. These results suggest that β-blockers should be evaluated for increasing cardiomyocyte division in patients with ToF/PS and other types of CHD.

Formation of the vertebrate heart with its complex arterial and venous connections is critically dependent on patterning of the left-right axis during early embryonic development. Abnormalities in left-right patterning can lead to a variety of complex life-threatening congenital heart defects. A highly conserved pathway responsible for left-right axis specification has been uncovered. This pathway involves initial asymmetric activation of a nodal signaling cascade at the embryonic node, followed by its propagation to the left lateral plate mesoderm and activation of left-sided expression of the Pitx2 transcription factor specifying visceral organ asymmetry. Intriguingly, recent work suggests that cardiac laterality is encoded by intrinsic cell and tissue chirality independent of Nodal signaling. Thus, Nodal signaling may be superimposed on this intrinsic chirality, providing additional instructive cues to pattern cardiac situs. The impact of intrinsic chirality and the perturbation of left-right patterning on myofiber organization and cardiac function warrants further investigation. We summarize recent insights gained from studies in animal models and also some human clinical studies in a brief overview of the complex processes regulating cardiac asymmetry and their impact on cardiac function and the pathogenesis of congenital heart defects.

ABSTRACT Victims of a radiation terrorist event will include pregnant women and unborn fetuses. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress are key pathogenic factors of fetal irradiation injury. The goal of this preclinical study is to investigate the efficacy of mitigating fetal irradiation injury by maternal administration of the mitochondrial-targeted gramicidin S (GS)- nitroxide radiation mitigator, JP4-039. Pregnant female C57BL/6NTac mice received 3 Gy total body ionizing irradiation (TBI) at mid-gestation embryonic day 13.5 (E13.5). Using novel time- and-motion-resolved 4D in utero magnetic resonance imaging (4D-uMRI), we found TBI caused extensive injury to the fetal brain that included cerebral hemorrhage, loss of cerebral tissue, and hydrocephalus with excessive accumulation of cerebrospinal fluid (CSF). Histopathology of the fetal mouse brain showed broken cerebral vessels and elevated apoptosis. Further use of novel 4D Oxy-wavelet MRI capable of probing in vivo mitochondrial function in intact brain revealed significant reduction of mitochondrial function in the fetal brain after 3Gy TBI. This was validated by ex vivo Oroboros mitochondrial respirometry. Maternal administration JP4-039 one day after TBI (E14.5), which can pass through the placental barrier, significantly reduced fetal brain radiation injury and improved fetal brain mitochondrial respiration. This also preserved cerebral brain tissue integrity and reduced cerebral hemorrhage and cell death. As JP4-039 administration did not change litter sizes or fetus viability, together these findings indicate JP4-039 can be deployed as a safe and effective mitigator of fetal radiation injury from mid-gestational in utero ionizing radiation exposure. One Sentence Summary Mitochondrial-targeted gramicidin S (GS)-nitroxide JP4-039 is safe and effective radiation mitigator for mid-gestational fetal irradiation injury.