A screen for small molecules that kill tumour cells with mutations in the oncogene HRAS has yielded a compound called erastin. Erastin treatment of cells expressing oncogenic RAS leads to cell death via an oxidative, non-apoptotic mechanism. Erastin acts via mitochondrial voltage-dependent anion channels, a novel target that could lead to new genotype-selective anticancer drugs. The action mechanism of a RAS–RAF–MEK–pathway selective anti-tumour agent is described, this compound acts through mitochondrial voltage-dependent anion channels, a novel target for anti-cancer drugs. Therapeutics that discriminate between the genetic makeup of normal cells and tumour cells are valuable for treating and understanding cancer. Small molecules with oncogene-selective lethality may reveal novel functions of oncoproteins and enable the creation of more selective drugs1. Here we describe the mechanism of action of the selective anti-tumour agent erastin, involving the RAS–RAF–MEK signalling pathway functioning in cell proliferation, differentiation and survival. Erastin exhibits greater lethality in human tumour cells harbouring mutations in the oncogenes HRAS, KRAS or BRAF. Using affinity purification and mass spectrometry, we discovered that erastin acts through mitochondrial voltage-dependent anion channels (VDACs)—a novel target for anti-cancer drugs. We show that erastin treatment of cells harbouring oncogenic RAS causes the appearance of oxidative species and subsequent death through an oxidative, non-apoptotic mechanism. RNA-interference-mediated knockdown of VDAC2 or VDAC3 caused resistance to erastin, implicating these two VDAC isoforms in the mechanism of action of erastin. Moreover, using purified mitochondria expressing a single VDAC isoform, we found that erastin alters the permeability of the outer mitochondrial membrane. Finally, using a radiolabelled analogue and a filter-binding assay, we show that erastin binds directly to VDAC2. These results demonstrate that ligands to VDAC proteins can induce non-apoptotic cell death selectively in some tumour cells harbouring activating mutations in the RAS–RAF–MEK pathway.

Non-genetic mechanisms have recently emerged as important drivers of cancer therapy failure1, where some cancer cells can enter a reversible drug-tolerant persister state in response to treatment2. Although most cancer persisters remain arrested in the presence of the drug, a rare subset can re-enter the cell cycle under constitutive drug treatment. Little is known about the non-genetic mechanisms that enable cancer persisters to maintain proliferative capacity in the presence of drugs. To study this rare, transiently resistant, proliferative persister population, we developed Watermelon, a high-complexity expressed barcode lentiviral library for simultaneous tracing of each cell's clonal origin and proliferative and transcriptional states. Here we show that cycling and non-cycling persisters arise from different cell lineages with distinct transcriptional and metabolic programs. Upregulation of antioxidant gene programs and a metabolic shift to fatty acid oxidation are associated with persister proliferative capacity across multiple cancer types. Impeding oxidative stress or metabolic reprogramming alters the fraction of cycling persisters. In human tumours, programs associated with cycling persisters are induced in minimal residual disease in response to multiple targeted therapies. The Watermelon system enabled the identification of rare persister lineages that are preferentially poised to proliferate under drug pressure, thus exposing new vulnerabilities that can be targeted to delay or even prevent disease recurrence.

Abstract Non-genetic mechanisms have recently emerged as important drivers of therapy failure in cancer (Salgia and Kulkarni, 2018), where some cancer cells can enter a reversible drug-tolerant persister state in response to treatment (Vallette et al., 2019). While most cancer persisters, like their bacterial counterparts, remain arrested in the presence of drug, a rare subset of cancer persisters can re-enter the cell cycle under constitutive drug treatment (Sharma et al., 2010). Little is known about the non-genetic mechanisms that enable cancer persisters to maintain proliferative capacity in the presence of drug. Here, using time-lapse imaging, we found that cycling persisters emerge early in the course of treatment of EGFR-mutant lung cancer cells with the EGFR inhibitor osimertinib. To study this rare, transiently-resistant, proliferative persister population we developed Watermelon, a new high-complexity expressed barcode lentiviral library for simultaneous tracing each cell’s clonal origin, proliferative state, and transcriptional state. Analysis of Watermelon-transduced PC9 cells demonstrated that cycling and non-cycling persisters arise from different pre-existing cell lineages with distinct transcriptional and metabolic programs. The proliferative capacity of persisters is associated with an upregulation of antioxidant gene programs and a metabolic shift to fatty acid oxidation in specific subpopulations of tumor cells. Mitigating oxidative stress or blocking metabolic reprograming significantly alters the fraction of cycling persister cells. In human tumors, programs associated with cycling persisters were induced in malignant cells in response to multiple tyrosine kinase inhibitors. The Watermelon system enabled the identification of rare persister lineages, that are preferentially poised through specific gene programs to proliferate under drug pressure, thus exposing new vulnerabilities that can be targeted to delay or even prevent disease recurrence.

ABSTRACT With sparse treatment options, cardiac disease remains a significant cause of death among humans. As a person ages, mitochondria break down and the heart becomes less efficient. Heart failure is linked to many mitochondria-associated processes, including endoplasmic reticulum stress, mitochondrial bioenergetics, insulin signaling, autophagy, and oxidative stress. The roles of key mitochondrial complexes that dictate the ultrastructure, such as the mitochondrial contact site and cristae organizing system (MICOS), in aging cardiac muscle are poorly understood. To better understand the cause of age-related alteration in mitochondrial structure in cardiac muscle, we used transmission electron microscopy (TEM) and serial block facing-scanning electron microscopy (SBF-SEM) to quantitatively analyze the 3D networks in cardiac muscle samples of male mice at aging intervals of 3 months, 1 year, and 2 years. Here, we present the loss of cristae morphology, the inner folds of the mitochondria, across age. In conjunction with this, the 3D volume of mitochondria decreased. These findings mimicked observed phenotypes in murine cardiac fibroblasts with CRISPR/Cas9 knockout of Mitofilin, Chchd3, Chchd6 (some members of the MICOS complex), and Opa1 , which showed poorer oxidative consumption rate and mitochondria with decreased mitochondrial length and volume. In combination, these data show the need to explore if loss of the MICOS complex in the heart may be involved in age-associated mitochondrial and cristae structural changes.

ABSTRACT Background During aging, muscle gradually undergoes loss of function including sarcopenia, losing mass, strength, endurance, and oxidative capacity. While mitochondrial aging is associated with decreased mitochondrial capacity, the genes associated with morphological changes in mitochondria during aging still require further elucidation. Furthermore, it is not completely understood how 3D mitochondrial structures are altered during aging in skeletal muscle and cardiac tissues. Methods We measured changes in mitochondrial morphology and mitochondrial complexity during the aging of murine gastrocnemius, soleus, and cardiac tissues using serial block face- scanning electron microscopy and 3D reconstruction. Lipidomic and metabolomic analysis elucidated concomitant changes associated with aging. We also used qPCR, transmission electron microscopy quantification, Seahorse Analyzer, and metabolomics to evaluate changes in mitochondria morphology and function upon loss of the MICOS complex. Results We identified significant changes in 3D mitochondrial size and network configuration in murine gastrocnemius, soleus, and cardiac tissue during aging. These changes were concomitant with loss of mitochondria contact site and cristae organizing system (MICOS) gene expression during aging. Mitochondrial morphology was similar between aged mice and young mice. We show an age-related loss of the MICOS complex (Chchd3, chchd6, and Mitofilin) while their knockout results in alterations in mitochondrial morphology. Given the critical role of mitochondria in maintaining cellular metabolism, we perform cellular metabolic profiling of young and aged tissues. Metabolomics and lipidomics showed profound alterations, including in membrane integrity, that support our observations of age-related changes in these muscle tissues. Discussion In tandem, our data suggest a relationship between the MICOS complex and aging, which could be linked to disease states with further 3D reconstruction studies. Our study highlights the importance of understanding tissue-dependent 3D mitochondrial phenotypical changes which occur across aging with evolutionary conservation between Drosophila and murine models. Graphical Abstract

ABSTRACT The liver, the largest internal organ and a metabolic hub, undergoes significant declines due to aging, affecting mitochondrial function and increasing the risk of systemic liver diseases. How the mitochondrial three-dimensional (3D) structure changes in the liver across aging, and the biological mechanisms regulating such changes confers remain unclear. In this study, we employed Serial Block Face-Scanning Electron Microscopy (SBF-SEM) to achieve high-resolution 3D reconstructions of murine liver mitochondria to observe diverse phenotypes and structural alterations that occur with age, marked by a reduction in size and complexity. We also show concomitant metabolomic and lipidomic changes in aged samples. Aged human samples reflected altered disease risk. To find potential regulators of this change, we examined the Mitochondrial Contact Site and Cristae Organizing System (MICOS) complex, which plays a crucial role in maintaining mitochondrial architecture. We observe that the MICOS complex is lost during aging, but not Sam50. Sam50 is a component of the sorting and assembly machinery (SAM) complex that acts in tandem with the MICOS complex to modulate cristae morphology. In murine models subjected to a high-fat diet, there is a marked depletion of the mitochondrial protein SAM50. This reduction in Sam50 expression may heighten the susceptibility to liver disease, as our human biobank studies corroborate that Sam50 plays a genetically regulated role in the predisposition to multiple liver diseases. We further show that changes in mitochondrial calcium dysregulation and oxidative stress accompany the disruption of the MICOS complex. Together, we establish that a decrease in mitochondrial complexity and dysregulated metabolism occur with murine liver aging. While these changes are partially be regulated by age-related loss of the MICOS complex, the confluence of a murine high-fat diet can also cause loss of Sam50, which contributes to liver diseases. In summary, our study reveals potential regulators that affect age-related changes in mitochondrial structure and metabolism, which can be targeted in future therapeutic techniques. Graphical Abstract Liver aging causes metabolic, lipidomic, and mitochondrial structural alterations, reflecting age-dependent losses in the MICOS complex. Diet-dependent losses of the SAM complex underlie genetic disease associations and mitochondrial structure.

Mitochondria are required for energy production and even give brown adipose tissue (BAT) its characteristic color due to their high iron content and abundance. The physiological function and bioenergetic capacity of mitochondria are connected to the structure, folding, and organization of its inner-membrane cristae. During the aging process, mitochondrial dysfunction is observed, and the regulatory balance of mitochondrial dynamics is often disrupted, leading to increased mitochondrial fragmentation in aging cells. Therefore, we hypothesized that significant morphological changes in BAT mitochondria and cristae would be present with aging. We developed a quantitative three-dimensional (3D) electron microscopy approach to map cristae network organization in mouse BAT to test this hypothesis. Using this methodology, we investigated the 3D morphology of mitochondrial cristae in adult (3-month) and aged (2-year) murine BAT tissue via serial block face-scanning electron microscopy (SBF-SEM) and 3D reconstruction software for manual segmentation, analysis, and quantification. Upon investigation, we found increases in mitochondrial volume, surface area, and complexity and decreased sphericity in aged BAT, alongside significant decreases in cristae volume, area, perimeter, and score. Overall, these data define the nature of the mitochondrial structure in murine BAT across aging.

Rapid alterations in cellular metabolism allow tissues to maintain homeostasis during changes in energy availability. Acetyl-CoA carboxylase 2 (ACC2) provides a central regulation and is phosphorylated acutely by AMPK during cellular stress to relieve repression of fat oxidation. While ACC2 is hydroxlated by prolyl hydroxylase 3 (PHD3), the physiological consequence of PHD3 is little understood. We find that ACC2 phosphorylation and hydroxylation occur in a reciprocal fashion. ACC2 hydroxylation occurs in conditions of high energy and leads to decreased fatty acid oxidation. Furthermore, AMPK-mediated phosphorylation of ACC2 is inhibitory to hydroxylation. PHD3 null mice demonstrate loss of ACC2 hydroxylation in heart and skeletal muscle and display elevated fatty acid oxidation. Whole body or skeletal muscle-specific PHD3 loss enhanced exercise capacity during an endurance exercise challenge. In sum, these data identify PHD3 as a physiological regulator of energy balance during acute stress.

The physical characteristics of brown adipose tissue (BAT) is defined by the presence of multilocular adipocytes and a high abundance of iron-containing mitochondria which give it its characteristic color. Normal mitochondrial function is regulated by organelle-to-organelle contacts, among other things. The contact sites of mitochondria-lipid droplet (LD) interactions have been implicated in various physiological roles such as the synthesis and metabolism of lipids. Importantly, past data has found that across the aging process, in addition to mitochondrial dysfunction, there are changes in mitochondrial structure as well as proteins that modulate contact sites. Here, we sought to define age-related changes in LD morphology and mito-lipid interactions in BAT. To accomplish this, we examined the three-dimensional morphology of mitochondria and LDs in young (3-month) and aged (2-year) murine BAT tissue via serial block face-scanning electron microscopy and the Amira program for segmentation, analysis, and quantification. Upon analysis, we found reductions in LD volume, area, and perimeter in 2-year-aged BAT murine samples compared to 3-month murine samples. Additionally, we observed changes in LD appearance and type in 2-year-aged BAT murine samples compared to 3-month murine samples. Notably, we found differences in mitochondrial interactions with lipids, which could implicate that, with age, contacts may be important for energetics. Upon further investigation, we also found changes in mitochondrial structure for mitochondria interacting with lipids. Overall, these data define the nature of the LD morphology and organelle-organelle contacts during aging and provide insight into lipid contact site changes that could have implications on mitochondrial functionality, metabolism, and bioactivity in aged BAT.