Abstract Mesenchymal stem cells (MSCs) and macrophages are fundamental components of the stem cell niche and function coordinately to regulate haematopoietic stem cell self-renewal and mobilization. Recent studies indicate that mitophagy and healthy mitochondrial function are critical to the survival of stem cells, but how these processes are regulated in MSCs is unknown. Here we show that MSCs manage intracellular oxidative stress by targeting depolarized mitochondria to the plasma membrane via arrestin domain-containing protein 1-mediated microvesicles. The vesicles are then engulfed and re-utilized via a process involving fusion by macrophages, resulting in enhanced bioenergetics. Furthermore, we show that MSCs simultaneously shed micro RNA-containing exosomes that inhibit macrophage activation by suppressing Toll-like receptor signalling, thereby de-sensitizing macrophages to the ingested mitochondria. Collectively, these studies mechanistically link mitophagy and MSC survival with macrophage function, thereby providing a physiologically relevant context for the innate immunomodulatory activity of MSCs.

Previous studies have revealed a novel interaction between deoxyhemoglobin and nitrite to generate nitric oxide (NO) in blood. It has been proposed that nitrite acts as an endocrine reservoir of NO and contributes to hypoxic vasodilation and signaling. Here, we characterize the nitrite reductase activity of deoxymyoglobin, which reduces nitrite approximately 36 times faster than deoxyhemoglobin because of its lower heme redox potential. We hypothesize that physiologically this reaction releases NO in proximity to mitochondria and regulates respiration through cytochrome c oxidase. Spectrophotometric and chemiluminescent measurements show that the deoxymyoglobin-nitrite reaction produces NO in a second order reaction that is dependent on deoxymyoglobin, nitrite and proton concentration, with a bimolecular rate constant of 12.4 mol/L −1 s −1 (pH 7.4, 37°C). Because the IC 50 for NO-dependent inhibition of mitochondrial respiration is approximately 100 nmol/L at physiological oxygen tensions (5 to 10 μmol/L); we tested whether the myoglobin-dependent reduction of nitrite could inhibit respiration. Indeed, the addition of deoxymyoglobin and nitrite to isolated rat heart and liver mitochondria resulted in the inhibition of respiration, while myoglobin or nitrite alone had no effect. The addition of nitrite to rat heart homogenate containing both myoglobin and mitochondria resulted in NO generation and inhibition of respiration; these effects were blocked by myoglobin oxidation with ferricyanide but not by the xanthine oxidoreductase inhibitor allopurinol. These data expand on the paradigm that heme-globins conserve and generate NO via nitrite reduction along physiological oxygen gradients, and further demonstrate that NO generation from nitrite reduction can escape heme autocapture to regulate NO-dependent signaling.

Inorganic nitrate and nitrite from endogenous or dietary sources are metabolized in vivo to nitric oxide (NO) and other bioactive nitrogen oxides. The nitrate-nitrite-NO pathway is emerging as an important mediator of blood flow regulation, cell signaling, energetics and tissue responses to hypoxia. The latest advances in our understanding of the biochemistry, physiology and therapeutics of nitrate, nitrite and NO were discussed during a recent 2-day meeting at the Nobel Forum, Karolinska Institutet in Stockholm.

Nitrite (NO2−) is an intrinsic signaling molecule that is reduced to NO during ischemia and limits apoptosis and cytotoxicity at reperfusion in the mammalian heart, liver, and brain. Although the mechanism of nitrite-mediated cytoprotection is unknown, NO is a mediator of the ischemic preconditioning cell-survival program. Analogous to the temporally distinct acute and delayed ischemic preconditioning cytoprotective phenotypes, we report that both acute and delayed (24 h before ischemia) exposure to physiological concentrations of nitrite, given both systemically or orally, potently limits cardiac and hepatic reperfusion injury. This cytoprotection is associated with increases in mitochondrial oxidative phosphorylation. Remarkably, isolated mitochondria subjected to 30 min of anoxia followed by reoxygenation were directly protected by nitrite administered both in vitro during anoxia or in vivo 24 h before mitochondrial isolation. Mechanistically, nitrite dose-dependently modifies and inhibits complex I by posttranslational S-nitrosation; this dampens electron transfer and effectively reduces reperfusion reactive oxygen species generation and ameliorates oxidative inactivation of complexes II–IV and aconitase, thus preventing mitochondrial permeability transition pore opening and cytochrome c release. These data suggest that nitrite dynamically modulates mitochondrial resilience to reperfusion injury and may represent an effector of the cell-survival program of ischemic preconditioning and the Mediterranean diet.

Although aging is a known risk factor for idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), the pathogenic mechanisms that underlie the effects of advancing age remain largely unexplained. Some age-related neurodegenerative diseases have an etiology that is related to mitochondrial dysfunction. Here, we found that alveolar type II cells (AECIIs) in the lungs of IPF patients exhibit marked accumulation of dysmorphic and dysfunctional mitochondria. These mitochondrial abnormalities in AECIIs of IPF lungs were associated with upregulation of ER stress markers and were recapitulated in normal mice with advancing age in response to stimulation of ER stress. We found that impaired mitochondria in IPF and aging lungs were associated with low expression of PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1). Knockdown of PINK1 expression in lung epithelial cells resulted in mitochondria depolarization and expression of profibrotic factors. Moreover, young PINK1-deficient mice developed similarly dysmorphic, dysfunctional mitochondria in the AECIIs and were vulnerable to apoptosis and development of lung fibrosis. Our data indicate that PINK1 deficiency results in swollen, dysfunctional mitochondria and defective mitophagy, and promotes fibrosis in the aging lung.

Local vasodilation in response to hypoxia is a fundamental physiologic response ensuring oxygen delivery to tissues under metabolic stress. Recent studies identify a role for the red blood cell (RBC), with hemoglobin the hypoxic sensor. Herein, we investigate the mechanisms regulating this process and explore the relative roles of adenosine triphosphate, S-nitrosohemoglobin, and nitrite as effectors. We provide evidence that hypoxic RBCs mediate vasodilation by reducing nitrite to nitric oxide (NO) and ATP release. NO dependence for nitrite-mediated vasodilation was evidenced by NO gas formation, stimulation of cGMP production, and inhibition of mitochondrial respiration in a process sensitive to the NO scavenger C-PTIO. The nitrite reductase activity of hemoglobin is modulated by heme deoxygenation and heme redox potential, with maximal activity observed at 50% hemoglobin oxygenation (P50). Concomitantly, vasodilation is initiated at the P50, suggesting that oxygen sensing by hemoglobin is mechanistically linked to nitrite reduction and stimulation of vasodilation. Mutation of the conserved β93cys residue decreases the heme redox potential (ie, decreases E1/2), an effect that increases nitrite reductase activity and vasodilation at any given hemoglobin saturation. These data support a function for RBC hemoglobin as an allosterically and redox-regulated nitrite reductase whose "enzyme activity" couples hypoxia to increased NO-dependent blood flow.

Abstract The nucleotide-binding oligomerization domain–like receptor family, pyrin domain–containing 3 (NLRP3) inflammasome drives many inflammatory processes and mediates IL-1 family cytokine release. Inflammasome activators typically damage cells and may release lysosomal and mitochondrial products into the cytosol. Macrophages triggered by the NLRP3 inflammasome activator nigericin show reduced mitochondrial function and decreased cellular ATP. Release of mitochondrial reactive oxygen species (ROS) leads to subsequent lysosomal membrane permeabilization (LMP). NLRP3-deficient macrophages show comparable reduced mitochondrial function and ATP loss, but maintain lysosomal acidity, demonstrating that LMP is NLRP3 dependent. A subset of wild-type macrophages undergo subsequent mitochondrial membrane permeabilization and die. Both LMP and mitochondrial membrane permeabilization are inhibited by potassium, scavenging mitochondrial ROS, or NLRP3 deficiency, but are unaffected by cathepsin B or caspase-1 inhibitors. In contrast, IL-1β secretion is ablated by potassium, scavenging mitochondrial ROS, and both cathepsin B and caspase-1 inhibition. These results demonstrate interplay between lysosomes and mitochondria that sustain NLRP3 activation and distinguish cell death from IL-1β release.

The nitrite anion is reduced to nitric oxide (NO • ) as oxygen tension decreases. Whereas this pathway modulates hypoxic NO • signaling and mitochondrial respiration and limits myocardial infarction in mammalian species, the pathways to nitrite bioactivation remain uncertain. Studies suggest that hemoglobin and myoglobin may subserve a fundamental physiological function as hypoxia dependent nitrite reductases. Using myoglobin wild-type ( +/+ ) and knockout ( −/− ) mice, we here test the central role of myoglobin as a functional nitrite reductase that regulates hypoxic NO • generation, controls cellular respiration, and therefore confirms a cytoprotective response to cardiac ischemia-reperfusion (I/R) injury. We find that myoglobin is responsible for nitrite-dependent NO • generation and cardiomyocyte protein iron-nitrosylation. Nitrite reduction to NO • by myoglobin dynamically inhibits cellular respiration and limits reactive oxygen species generation and mitochondrial enzyme oxidative inactivation after I/R injury. In isolated myoglobin +/+ but not in myoglobin −/− hearts, nitrite treatment resulted in an improved recovery of postischemic left ventricular developed pressure of 29%. In vivo administration of nitrite reduced myocardial infarction by 61% in myoglobin +/+ mice, whereas in myoglobin −/− mice nitrite had no protective effects. These data support an emerging paradigm that myoglobin and the heme globin family subserve a critical function as an intrinsic nitrite reductase that regulates responses to cellular hypoxia and reoxygenation. myoglobin knockout mice

Abstract Increased platelet activation is recognized in patients with sickle cell disease (SCD), but its pathogenesis and clinical relevance remain uncertain. Pulmonary arterial hypertension (PAH), an important complication of SCD, is characterized by a proliferative pulmonary vasculopathy, in situ thrombosis, and vascular dysfunction related to scavenging of nitric oxide (NO) by hemoglobin released into blood plasma during intravascular hemolysis. We investigated links between platelet activation, PAH and NO scavenging in patients with SCD. Platelet activation marked by activated fibrinogen receptor correlated to the severity of PAH (r = 0.58, P < .001) and to laboratory markers of intravascular hemolysis, such as reticulocyte count (r = 0.44, P = .02). In vitro exposure of platelets to pathologically relevant concentrations of cell-free hemoglobin promoted basal- and agonist-stimulated activation and blocked the inhibitory effects on platelet activation by an NO donor. In patients with SCD, administration of sildenafil, a phosphodiesterase-5 inhibitor that potentiates NO-dependent signaling, reduced platelet activation (P = .01). These findings suggest a possible interaction between hemolysis, decreased NO bioavailability, and pathologic platelet activation that might contribute to thrombosis and pulmonary hypertension in SCD, and potentially other disorders of intravascular hemolysis. This supports a role for NO-based therapeutics for SCD vasculopathy. This trial was registered at www.clinicaltrials.gov as no. NCT00352430.