Abstract Background Mutations in the mitochondrial genome (mtDNA) can cause devastating maternally inherited diseases, while the accumulation of somatic mtDNA mutations is linked to common diseases of aging. Although mtDNA mutations impact human health, the process(es) that give rise to these mutations are unclear and are under considerable debate. We analyzed the distribution of naturally occurring somatic mutations across the mouse and human mtDNA obtained by Duplex Sequencing to provide clues to the mechanism by which de novo mutations arise as well as how the genome is replicated. Results We observe two distinct mutational gradients in G→A and T→C transitions, but not their complements, that are delimited by the light-strand origin and the control region (CR). The gradients increase with age and are lost in the absence of DNA polymerase γ proofreading activity. A nearly identical pattern is present in human mtDNA somatic mutations. The distribution of mtDNA single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human population and genome base composition across >3,000 vertebrate species mirror this gradient pattern, pointing to evolutionary conservation of this phenomenon. Lastly, high-resolution analysis of the mtDNA control region highlights mutational ‘hotspots’ and ‘cold-spots’ that strongly align with important regulatory regions. Conclusions Collectively, these patterns support an asymmetric strand-displacement mechanism with key regulatory structures in the CR and argue against alternative replication models. The mutational gradient is a fundamental consequence of mtDNA replication that drives somatic mutation accumulation and influences inherited polymorphisms and, over evolutionary timescales, genome composition.

ABSTRACT Accumulation of somatic mutations in the mitochondrial genome (mtDNA) during aging has long been proposed as a possible mechanism of mitochondrial and tissue dysfunction. A thorough characterization of age-associated mtDNA somatic mutations has been hampered by the limited ability to detect low frequency mutations. Here, we used Duplex Sequencing on eight tissues of an aged mouse cohort to detect >89,000 independent somatic mtDNA mutations and show significant tissue-specific increases during aging across all tissues examined which did not correlate with mitochondrial content and tissue function. G→A/C→T substitutions, indicative of replication errors and/or cytidine deamination, were the predominant mutation type across all tissues and increased with age, whereas G→T/C→A substitutions, indicative of oxidative damage, were the second most common mutation type, but did not increase with age regardless of tissue. We also show that clonal expansions of mtDNA mutations with age is tissue and mutation type dependent. Unexpectedly, mutations associated with oxidative damage rarely formed clones in any tissue and were significantly reduced in the hearts and kidneys of aged mice treated at late age with Elamipretide or nicotinamide mononucleotide. Thus, the lack of accumulation of oxidative damage-linked mutations with age indicates a life-long dynamic clearance of either the oxidative lesions or mtDNA genomes harboring oxidative damage.

Diastolic dysfunction is a prominent feature of cardiac aging in both mice and humans. We show here that 8-week treatment of old mice with the mitochondrial targeted peptide SS-31 (elamipretide) can substantially reverse this deficit. SS-31 normalized the increase in proton leak and reduced mitochondrial ROS in cardiomyocytes from old mice, accompanied by reduced protein oxidation and a shift towards a more reduced protein thiol redox state in old hearts. Improved diastolic function was concordant with increased phosphorylation of cMyBP-C Ser282 but was independent of titin isoform shift. Late-life viral expression of mitochondrial-targeted catalase (mCAT) produced similar functional benefits in old mice and SS-31 did not improve cardiac function of old mCAT mice, implicating normalizing mitochondrial oxidative stress as an overlapping mechanism. These results demonstrate that pre-existing cardiac aging phenotypes can be reversed by targeting mitochondrial dysfunction and implicate mitochondrial energetics and redox signaling as therapeutic targets for cardiac aging.

SUMMARY Aging muscle experiences functional decline in part mediated by impaired mitochondrial ADP sensitivity. Elamipretide (ELAM) rapidly improves physiological and mitochondrial function in aging and binds directly to the mitochondrial ADP transporter ANT. We hypothesized that ELAM improves ADP sensitivity in aging leading to rescued physiological function. We measured the response to ADP stimulation in young and old muscle mitochondria with ELAM treatment, in vivo heart and muscle function, and compared protein abundance, phosphorylation, and S-glutathionylation of ADP/ATP pathway proteins. ELAM treatment increased ADP sensitivity in old muscle mitochondria by increasing uptake of ADP through the ANT and rescued muscle force and heart systolic function. Protein abundance in the ADP/ATP transport and synthesis pathway was unchanged, but ELAM treatment decreased protein s-glutathionylation incuding of ANT. Mitochondrial ADP sensitivity is rapidly modifiable. This research supports the hypothesis that ELAM improves ANT function in aging and links mitochondrial ADP sensitivity to physiological function. Abstract Figure Graphical Abstract. ELAM Binds Directly to ANT and ATP Synthase and ELAM Treatment Improves ADP Sensitivity, Increases ATP Production, and Improves Physiological Function in Old Muscles. ADP (adenosine diphosphate), ATP (adenosine triphosphate), VDAC (voltage-dependent anion channel), ANT (Adenine nucleotide translocator), H + (proton), ROS (reactive oxygen species), NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), FADH 2 (flavin adenine dinucleotide), O 2 (oxygen), ELAM (elamipretide), −SH (free thiol), −SSG (glutathionylated protein).

Abstract The mitochondrial-rich renal tubule cells are key regulators of blood homeostasis via excretion and reabsorption of metabolic waste. With age, tubules are subject to increasing mitochondrial dysfunction and declining nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) levels, both hampering ATP production efficiency. We tested two mitochondrial interventions in young (6-mo) and aged (26-mo) adult male mice: (ELAM), a tetrapeptide in clinical trials that improves mitochondrial structure and function, and nicotinamide mononucleotide (NMN), an NAD + intermediate and commercially available oral supplement. Kidneys were analyzed from young and aged mice after eight weeks of treatment with ELAM (3 mg/kg/day), NMN (300 mg/kg/day), or from aged mice treated with the two interventions combined (ELAM+NMN). We hypothesized that combining pharmacologic treatments to ameliorate mitochondrial dysfunction and boost NAD + levels, would more effectively reduce kidney aging than either intervention alone. Unexpectedly, in aged kidneys, NMN increased expression of genetic markers of inflammation (IL-1β and Ccl2) and tubule injury (Kim-1). Metabolomics of endpoint sera showed that NMN-treated aged mice had higher circulating levels of uremic toxins than either aged controls or young NMN-treated mice. ELAM+NMN- treated aged mice accumulated uremic toxins like NMN-only aged mice, but reduced IL-1β and Ccl2 kidney mRNA. This suggests that pre-existing mitochondrial dysfunction in aged kidney underlies susceptibility to inflammatory signaling with NMN supplementation in aged, but not young, mice. These findings demonstrate age and tissue dependent effects on downstream metabolic accumulation from NMN and highlight the need for targeted analysis of aged kidneys to assess the safety of anti-aging supplements in older populations. Summary Statement Declining levels of NAD + and increasing mitochondrial dysfunction with age are functionally linked and are popular mechanistic targets of commercially available anti-aging therapeutics. Studies have focused on nicotinamide mononucleotide (NMN), nicotinamide riboside (NR) and nicotinamide (NAM) supplementation to boost cellular NAD + , but a consensus on the dosage and regimen that is beneficial or tolerable has not been reached. We show that although high levels of sustained NMN supplementation are beneficial to liver and heart in aged mice, the same dosing regimen carries age-associated signs of kidney inflammation. Our findings underscore a complex state of age- and tissue-specific metabolic homeostasis and raise questions not only about how much, and for how long, but at what age is NAD + boosting safe.

Abstract Purpose Characterize how metabolic function in the murine retina and retinal pigment epithelium-choroid-sclera (eyecup) complex is impacted by natural aging. Methods We examined scotopic and photopic visual function of young (3-6 months) and aged (23-26 months) C57Bl/6J mice using electroretinograms (ERGs). Metabolic changes in retina and eyecup explants were characterized by measuring uptake and usage of U- 13 C-glucose or U- 13 C-glutamine at different timepoints by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), measuring oxygen consumption rate (OCR) using a perifusion apparatus, and determining ATP levels with a bioluminescence assay. Results Scotopic and photopic ERG responses declined in aged mice. Glucose metabolism, glutamine metabolism, OCR, and ATP pools in retinal explants were mostly unaffected by the age of the mouse. In eyecups, glutamine usage in the Krebs Cycle decreased while glucose metabolism, OCR, and ATP pools remained stable. Conclusions The ex vivo approach in our study to examine aging glucose and glutamine metabolism in retina and RPE showed negligible impact of age on retina and an impairment of glutamine anaplerosis in eyecups. The surprising metabolic stability of these tissues ex vivo suggests age-related metabolic alterations in these tissues may not be intrinsic. Future experiments should focus on determining whether external factors including nutrient supply, oxygen availability, or other structural changes influence ocular metabolism in vivo.

ABSTRACT It has been demonstrated that elamipretide (SS-31) rescues age-related functional deficits in the heart but the full set of mechanisms behind this have yet to be determined. We investigated the hypothesis that elamipretide influences post-translational modifications to heart proteins. The S-glutathionylation and phosphorylation proteomes of mouse hearts were analyzed using shotgun proteomics to assess the effects of aging on these post-translational modifications and the ability of the mitochondria-targeted drug elamipretide to reverse age-related changes. Aging led to an increase in oxidation of protein thiols demonstrated by increased S-glutathionylation of cysteine residues on proteins from Old (24 months old at the start of the study) mouse hearts compared to Young (5-6 months old). This shift in the oxidation state of the proteome was almost completely reversed by 8-weeks of treatment with elamipretide. Many of the significant changes that occurred were in proteins involved in mitochondrial or cardiac function. We also found changes in the mouse heart phosphoproteome that were associated with age, some of which were partially restored with elamipretide treatment. Parallel reaction monitoring of a subset of phosphorylation sites revealed that the unmodified peptide reporting for Myot S231 increased with age, but not its phosphorylated form and that both phosphorylated and unphosphorylated forms of the peptide covering cMyBP-C S307 increased, but that elamipretide treatment did not affect these changes. These results suggest that changes to thiol redox state and phosphorylation status are two ways in which age may affect mouse heart function, which can be restored by treatment with elamipretide.