Abstract Absence of Isc1, the yeast homologue of mammalian neutral sphingomyelinase type 2, leads to severe mitochondrial dysfunction. We show that deletion of another type-C phospholipase, the phosphatidylglycerol (PG)-specific Pgc1, rescues this defect. Phosphatidylethanolamine (PE) levels and cytochrome c oxidase activity, reduced in isc1 Δ cells, were restored to wild-type levels in the pgc1 Δ isc1 Δ mutant. Pgc1 substrate, PG, inhibited in vitro activity of Isc1 and phosphatidylserine decarboxylase Psd1, an enzyme crucial for PE biosynthesis. We also identify a mechanism by which the balance between the current demand for PG and its consumption is controlled. We document that the product of PG hydrolysis, diacylglycerol, competes with the substrate of PG-phosphate synthase, Pgs1, and thereby inhibits the biosynthesis of excess PG. This feedback loop does not work in the absence of Pgc1, which catalyzes PG degradation. Finally, Pgc1 activity is partially inhibited by products of Isc1-mediated hydrolysis. The described functional interconnection of the two phospholipases contributes significantly to lipid homeostasis throughout the cellular architecture. Summary The coordinated action of two different type-C phospholipases is documented, which provides a balance between mitochondrial phospholipid biosynthesis and sphingolipid metabolism. The regulatory role of specific lipids, phosphatidylglycerol, diacylglycerol and ceramide in this process is demonstrated.

The effectivity of utilization of exogenous sterols in the yeast Saccharomyces cerevisiae exposed to hypoxic stress is dependent on the sterol structure. The highly imported sterols include animal cholesterol or plant sitosterol, while ergosterol, typical of yeasts, is imported to a lesser extent. An elevated utilization of non-yeast sterols is associated with their high esterification and relocalization to lipid droplets (LDs). Here we present data showing that LDs and sterol esterification play a critical role in the regulation of the accumulation of non-yeast sterols in membranes. Failure to form LDs during anaerobic growth in media supplemented with cholesterol or sitosterol resulted in an extremely long lag phase, in contrast to normal growth in media with ergosterol or plant stigmasterol. Moreover, in hem1∆, which mimics anaerobiosis, neither cholesterol nor sitosterol supported the growth in an LD-less background. The incorporation of non-ergosterol sterols into the membranes affected fundamental membrane characteristics such as relative membrane potential, permeability, tolerance to osmotic stress and the formation of membrane domains. Our findings reveal that LDs assume an important role in scenarios wherein cells are dependent on the utilization of exogenous lipids, particularly under anoxia. Given the diverse lipid structures present in yeast niches, LDs fulfil a protective role, mitigating the risk of excessive accumulation of potentially toxic steroids and fatty acids in the membranes. Finally, we present a novel function for sterols in a model eukaryotic cell - alleviation of the lipotoxicity of unsaturated fatty acids.

Abstract Barth syndrome (BTHS) is a rare disorder caused by mutations in the TAFAZZIN gene. Previous studies from both patients and model systems have established metabolic dysregulation as a core component of BTHS pathology. In particular, features such as lactic acidosis, pyruvate dehydrogenase (PDH) deficiency, and aberrant fatty acid and glucose oxidation have been identified. However, the lack of a mechanistic understanding of what causes these conditions in the context of BTHS remains a significant knowledge gap, and this has hindered the development of effective therapeutic strategies for treating the associated metabolic problems. In the current study, we utilized tafazzin-knockout C2C12 mouse myoblasts (TAZ-KO) and cardiac and skeletal muscle tissue from tafazzin-knockout mice to identify an upstream mechanism underlying impaired PDH activity in BTHS. This mechanism centers around robust upregulation of pyruvate dehydrogenase kinase 4 (PDK4), resulting from hyperactivation of AMP-activated protein kinase (AMPK) and subsequent transcriptional upregulation by forkhead box protein O1 (FOXO1). Upregulation of PDK4 in tafazzin-deficient cells causes direct phospho-inhibition of PDH activity accompanied by increased glucose uptake and elevated intracellular glucose concentration. Collectively, our findings provide a novel mechanistic framework whereby impaired tafazzin function ultimately results in robust PDK4 upregulation, leading to impaired PDH activity and likely linked to dysregulated metabolic substrate utilization. This mechanism may underlie previously reported findings of BTHS-associated metabolic dysregulation.

The biosynthesis of yeast phosphatidylglycerol (PG) takes place in the inner mitochondrial membrane. Outside mitochondria, the abundance of PG is low. Here we present evidence that the subcellular distribution of PG is maintained by locally controlled enzymatic activity of the PG-specific phospholipase, Pgc1. We document that the Pgc1 absence leads to spreading of PG over various cellular membranes. Fluorescently labeled Pgc1 protein strongly accumulates at the surface of lipid droplets (LD). We show, however, that LD are not only dispensable for Pgc1-mediated PG degradation, but even host no phospholipase activity of Pgc1. Our in vitro assays document the capability of LD-accumulated Pgc1 to degrade PG upon entry to membranes of the endoplasmic reticulum, mitochondria, and even of artificial phospholipid vesicles. FRAP analysis confirms continuous exchange of GFP-Pgc1 within individual LD in situ, suggesting that a steady-state equilibrium exists between LD and membranes to regulate immediate phospholipase activity of Pgc1. In this model, LD serve as storage place and shelter Pgc1 preventing untimely degradation, while both phospholipase activity and degradation of the enzyme occur in membranes.

A mood-stabilizing anticonvulsant valproic acid (VPA) is a drug with a pleiotropic effect on cells. Here, we describe the impact of VPA on the metabolic function of human HAP1 cells. We show that VPA altered the biosynthetic pathway of cardiolipin (CL) and affected the activities of mitochondrial enzymes such as pyruvate dehydrogenase, α-ketoglutarate dehydrogenase and NADH dehydrogenase. We demonstrate that a therapeutic dose of VPA (0.6 mM) has a harmful effect on cell growth and increases the production of reactive oxygen species and superoxides. On the contrary, less concentrated VPA (0.06 mM) increased the activities of CL-dependent enzymes leading to an increased level of oxidative phosphorylation and ATP production. The effect of VPA was also tested on the Barth syndrome model, which is characterized by a reduced amount of CL and an increased level of monolyso-CL. In this model, VPA treatment slightly attenuated the mitochondrial defects by altering the activities of CL-dependent enzymes. However, the presence of CL was essential for the increase in ATP production by VPA. Our findings highlight the potential therapeutic role of VPA in normalizing mitochondrial function in BTHS and shed light on the intricate interplay between lipid metabolism and mitochondrial physiology in health and disease. SUMMARY: This study investigates the dose-dependent effect of valproate, a mood-stabilizing drug, on mitochondrial function. The therapeutic concentration reduced overall cellular metabolic activity, while a subtherapeutic concentration notably improved the function of cardiolipin-dependent proteins within mitochondria. These findings shed light on novel aspects of valproate's effect and suggest potential practical applications for its use. By elucidating the differential effects of valproate doses on mitochondrial activity, this research underscores the drug's multifaceted role in cellular metabolism and highlights avenues for further exploration in therapeutic interventions.