ABSTRACT The classical view of oxidative phosphorylation is that a proton motive force PMF generated by the respiratory chain complexes fuels ATP synthesis. Under glycolytic conditions, ATP synthase in its reverse mode also can contribute to the PMF. Here, we dissected the two functions of ATP synthase and the role of its inhibitory factor 1 (IF1) under different metabolic conditions in detail. pH profiles of mitochondrial sub-compartments were recorded with high spatial resolution in live mammalian cells by positioning a pH-sensor directly at F 1 and F O of ATP synthase, complex IV and in the matrix. Our results clearly show that ATP synthase activity is substantially controlling the PMF and that IF1 is essential under OXPHOS conditions to prevent reverse ATP synthase activity due to an almost negligible ΔpH. GRAPHICAL ABSTRACT HIGHLIGHTS The ΔpH along and across the inner mitochondrial membrane is not homogeneous The proton motive force at cristae tips is controlled by F 1 F O ATP synthase Under OXPHOS conditions, the pH difference between F O and F 1 of active ATP synthase is almost negligible (1.2 proton vs. 1 proton equivalent) IF1 is required to prevent the onset of ATP hydrolysis under OXPHOS conditions

Abstract Several human diseases, including cancer and neurodegeneration, are associated with excessive mitochondrial fragmentation. In this context, mitochondrial division inhibitor (Mdivi-1) has been tested as a therapeutic to block the fission-related protein dynamin-like protein-1 (Drp1). Recent studies suggest that Mdivi-1 interferes with mitochondrial bioenergetics. Here we show that the molecular mechanism of Mdivi-1 is based on inhibition of complex I at the IQ site. This leads to the destabilization of complex I, impairs the assembly of N- and Q-respirasomes and is associated with increased ROS production. The result is a reduced efficiency of ATP generation. Second, the calcium homeostasis of cells is impaired, which severely affects the electrical activity of neurons. Given the results presented here, a potential therapeutic application of Mdivi-1 is challenging because of its impact on synaptic activity. Similar to the Complex I inhibitor rotenone, Mdivi-1 may lead to neurodegenerative effects in the long term. Graphical abstract Mdivi-1 inhibits respiratory complex I at the IQ-site Inhibition destabilizes complex I and reduces supercomplex formation Mitochondrial ATP levels decrease Ca 2+ metabolism is affected Neuronal activity is compromised

SUMMARY Mitochondria are increasingly recognized as cellular hubs to orchestrate signaling pathways that regulate metabolism, redox homeostasis, and cell fate decisions. Recent research revealed a role of mitochondria also in innate immune signaling, however, the mechanisms of how mitochondria affect signal transduction are poorly understood. Here we show that the NF-ĸB pathway activated by TNF employs mitochondria as a platform for signal amplification and shuttling of activated NF-ĸB to the nucleus. TNF induces the recruitment of HOIP, the catalytic component of the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC), and its substrate NEMO to the outer mitochondrial membrane, where M1- and K63-linked ubiquitin chains are generated. NF-ĸB is locally activated and transported to the nucleus by mitochondria, resulting in an increase in mitochondria-nucleus contact sites in a HOIP-dependent manner. Notably, TNF-induced stabilization of the mitochondrial kinase PINK1 contributes to signal amplification by antagonizing the M1-ubiquitin-specific deubiquitinase OTULIN.

The vesicle-tethering exocyst complex is a key regulator of cell polarity. The subunit Exo70 is required for the targeting of the exocyst complex to the plasma membrane. While the N-terminus of Exo70 is important for its regulation by GTPases, the C-terminus binds to PI(4,5)P2 and Arp2/3. Here, we compare N- and C-terminal tagged Exo70 with respect to subcellular localization, dynamics and function in cell membrane expansion. Using high-resolution imaging, we determined the spatial distribution and dynamics in different sub-compartments of un-polarized and polarized cells. With lattice light-sheet microscopy, we show that HaloTag-Exo70, but not Exo70-HaloTag, promotes the outgrowth of filopodia-like structures from the axon of hippocampal neurons. Fluorescence lifetime imaging of sfGFP-Exo70 and molecular modeling results suggest that the assembly of sfGFP-Exo70 with the exocyst complex is reduced. This is supported by single particle tracking data showing higher mobility of N- than C-terminal tagged Exo70 at the plasma membrane. The distinct spatiotemporal properties of N-terminal tagged Exo70 were correlated with pronounced filopodia formation in unpolarized cells and neurons, a process that is less reliant on exocyst complex formation. We therefore propose that N-terminal tagging of Exo70 shifts its activity to processes that are less

Mitochondrial F1FO ATP synthase is the key enzyme to fuel the cell with essential ATP. Strong indications exist that the respiratory chain and the ATP synthase are physically separated within cristae. How static this organization is, is largely unknown. Here, we investigated the effect of substrate restriction on mitochondrial respiration and the spatio-temporal organization of ATP synthase. By superresolution microscopy, the localization and mobility of single labelled mitochondrial ATP synthase was determined in live cells. We found, that the ATP synthase under oxidative respiration displayed a clear localization and confined mobility in cristae. Trajectories of individual ATP synthase proteins show a perpendicular course to the longitudinal axis of the respective mitochondrion, exactly following the ultrastructure of cristae. When substrate for TCA cycle and respiration was limited, a significant proportion of ATP synthase localized from cristae to the inner boundary membrane, and only less mobile ATP synthase remained in cristae. These observations showing the plasticity of the spatio-temporal organisation of ATP synthase can explain why ATP synthase show interactions with proteins in distinct mitochondrial subcompartments such as inner boundary membrane, cristae junctions and cristae.

Abstract Heart disease is the leading cause of death in the elderly population and the heart is a highly energy-consuming tissue. The high energy requirement is reflected in the abundance of mitochondria in cardiomyocytes and the cristae dense architecture of the organelles. The ATP synthase is well known for its involvement in ATP synthesis, but it also plays an important structural role. This is reflected in its spatiotemporal organisation, making single molecule localisation microscopy in living cells a valuable tool to study ATP synthase under different conditions. In the present study, we studied the effects of cellular senescence on the ATP Synthase in cardiomyocytes. We used human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes as a model system and induced senescence with low doses of doxorubicin. We observed reduced function of the ATP Synthase while membrane potential was increased, indicating a malfunction of the proton sink. These impairments could however not be related to changes in neither expression nor dimerization levels of the complex. Using single-molecule tracking of ATP synthase, we observed stronger confinement of the enzyme in the cristae. This suggests that the altered spatiotemporal organisation of ATP synthase is linked with impaired ATP production in senescent cardiomyocytes.