Mitochondrial Ca 2+ efflux is linked to numerous cellular activities and pathophysiological processes. Although it is established that an Na + -dependent mechanism mediates mitochondrial Ca 2+ efflux, the molecular identity of this transporter has remained elusive. Here we show that the Na + /Ca 2+ exchanger NCLX is enriched in mitochondria, where it is localized to the cristae. Employing Ca 2+ and Na + fluorescent imaging, we demonstrate that mitochondrial Na + -dependent Ca 2+ efflux is enhanced upon overexpression of NCLX, is reduced by silencing of NCLX expression by siRNA, and is fully rescued by the concomitant expression of heterologous NCLX. NCLX-mediated mitochondrial Ca 2+ transport was inhibited, moreover, by CGP-37157 and exhibited Li + dependence, both hallmarks of mitochondrial Na + -dependent Ca 2+ efflux. Finally, NCLX-mediated mitochondrial Ca 2+ exchange is blocked in cells expressing a catalytically inactive NCLX mutant. Taken together, our results converge to the conclusion that NCLX is the long-sought mitochondrial Na + /Ca 2+ exchanger.

Hepatic Ca2+ signaling has been identified as a crucial key factor in driving gluconeogenesis. The involvement of mitochondria in hormone-induced Ca2+ signaling and their contribution to metabolic activity remain, however, poorly understood. Moreover, the molecular mechanism governing the mitochondrial Ca2+ efflux signaling remains unresolved. This study investigates the role of the Na+/Ca2+ exchanger, NCLX, in modulating hepatic mitochondrial Ca2+ efflux, and examines its physiological significance in hormonal hepatic Ca2+ signaling, gluconeogenesis, and mitochondrial bioenergetics. Primary mouse hepatocytes from both an AAV-mediated conditional hepatic-specific and a total mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger, NCLX, knockout (KO) mouse models were employed for fluorescent monitoring of purinergic and glucagon/vasopressin-dependent mitochondrial and cytosolic hepatic Ca2+ responses in cultured hepatocytes. Isolated liver mitochondria and permeabilized primary hepatocytes were used to analyze the ion-dependence of Ca2+ efflux. Utilizing the conditional hepatic-specific NCLX KO model, the rate of gluconeogenesis was assessed by first monitoring glucose levels in fasted mice, and subsequently subjecting the mice to a pyruvate tolerance test while monitoring their blood glucose. Additionally, cultured primary hepatocytes from both genotypes were assessed in vitro for glucagon-dependent glucose production and cellular bioenergetics through glucose oxidase assay and Seahorse respirometry, respectively. Analysis of Ca2+ responses in isolated liver mitochondria and cultured primary hepatocytes from NCLX KO versus WT mice showed that NCLX serves as the principal mechanism for mitochondrial calcium extrusion in hepatocytes. We then determined the role of NCLX in glucagon and vasopressin-induced Ca2+ oscillations. Consistent with previous studies, glucagon and vasopressin triggered Ca2+ oscillations in WT hepatocytes, however, the deletion of NCLX resulted in selective elimination of mitochondrial, but not cytosolic, Ca2+ oscillations, underscoring NCLX's pivotal role in mitochondrial Ca2+ regulation. Subsequent in vivo investigation for hepatic NCLX role in gluconeogenesis revealed that, as opposed to WT mice which maintained normoglycemic blood glucose levels when fasted, conditional hepatic-specific NCLX KO mice exhibited a faster drop in glucose levels, becoming hypoglycemic. Furthermore, KO mice showed deficient conversion of pyruvate to glucose when challenged under fasting conditions. Concurrent in vitro assessments showed impaired glucagon-dependent glucose production and compromised bioenergetics in KO hepatocytes, thereby underscoring NCLX's significant contribution to hepatic glucose metabolism. The study findings demonstrate that NCLX acts as the primary Ca2+ efflux mechanism in hepatocytes. NCLX is indispensable for regulating hormone-induced mitochondrial Ca2+ oscillations, mitochondrial metabolism, and sustenance of hepatic gluconeogenesis.

Many G protein-coupled receptors (GPCRs) lack common variants that lead to reproducible genome-wide disease associations. Here we used rare variant approaches to assess the disease associations of 85 orphan or understudied GPCRs in an unselected cohort of 51,289 individuals. Rare loss-of-function variants, missense variants predicted to be pathogenic or likely pathogenic, and a subset of rare synonymous variants were used as independent data sets for sequence kernel association testing (SKAT). Strong, phenome-wide disease associations shared by two or more variant categories were found for 39% of the GPCRs. Validating the bioinformatics and SKAT analyses, functional characterization of rare missense and synonymous variants of GPR39, a Family A GPCR, showed altered expression and/or Zn2+-mediated signaling for members of both variant classes. Results support the utility of rare variant analyses for identifying disease associations for genes that lack common variants, while also highlighting the functional importance of rare synonymous variants.

Abstract Hepatic Ca 2+ signaling is emerging as a key factor in mediating gluconeogenesis. However, the identity of the hepatic mitochondrial Ca 2+ transporter is controversial and the role of mitochondria in controlling hormonal Ca 2+ signaling and linking them to metabolic activity is poorly understood. We first interrogated the role of the mitochondrial Na + /Ca 2+ exchanger NCLX by triggering cytosolic Ca 2+ purinergic signaling in primary hepatocytes, and Ca 2+ responses in isolated mitochondria from WT, global NCLX KO, and conditional hepatic NCLX KO mice models. We monitored a higher rate of Na + -dependent mitochondrial Ca 2+ efflux in NCLX-expressing hepatocytes, indicating that it constitutes the major Ca 2+ efflux pathway. We then asked if NCLX is controlling the hormone-dependent mitochondrial Ca 2+ oscillations by employing physiological concentrations of glucagon and vasopressin. Consistent with previous studies, hormone applications triggered mitochondrial Ca 2+ oscillations in WT hepatocytes. In NCLX KO hepatocytes the cytosolic oscillations persisted, however, the mitochondrial Ca 2+ oscillations were suppressed. To further understand the metabolic role of NCLX in the hepatic system, we examined gluconeogenic function in vivo and ex vitro by monitoring hepatic glucose production. We found that blood glucose dropped faster in the conditional KO mice and their hepatic glucagon-dependent glucose production was reduced, indicating that gluconeogenesis was impaired in hepatic conditional NCLX KO mice. Taken together, our results indicate that NCLX is the primary Ca 2+ extruder in hepatocytes and is required for mediating the hormone-dependent mitochondrial Ca 2+ oscillations and gluconeogenesis. Significance Hepatic Ca 2+ signaling is crucial for gluconeogenesis, but the mitochondrial control of this process is not resolved. This study identifies the mitochondrial transporter, NCLX, as a critical link between hormonal-dependent mitochondrial Ca 2+ oscillations and gluconeogenesis. We first show that NCLX is the major hepatic mitochondrial efflux pathway. We then demonstrate that NCLX is required for glucagon-dependent mitochondrial Ca 2+ oscillations and the acceleration of mitochondrial oxidative function. Using a conditional hepatic NCLX-null mouse model, we show that NCLX is required for maintaining hepatic glucose production during fasting and in response to glucagon stimulation. Overall, the study identifies NCLX as the integrator of hepatic mitochondrial Ca 2+ signaling, required for gluconeogenesis.

Abstract Impaired phosphodiesterase (PDE) function and mitochondrial Ca 2+ - [Ca 2+ ]m signaling leads to cardiac failure, ischemic damage and dysfunctional learning and memory. Yet, a causative link between these pathways is unknown. Here, we fluorescently monitored [Ca 2+ ]m transients in hippocampal neurons evoked by caffeine followed by depolarization. [Ca 2+ ]m efflux was apparent in WT but diminished in neurons deficient in the mitochondrial Na + /Ca 2+ exchanger NCLX. Surprisingly, neuronal depolarization-induced Ca 2+ transients alone failed to evoke strong [Ca 2+ ]m efflux in WT neurons. Caffeine is also a PDE inhibitor. Pretreatment with the PDE2 inhibitor Bay 60-7550 rescued [Ca 2+ ]m efflux triggered by neuronal depolarization. Inhibition of PDE2 acted by diminishing the Ca 2+ dependent reduction of mitochondrial cAMP, thereby promoting NCLX phosphorylation. Selective PDE2 inhibition also enhanced [Ca 2+ ]m efflux triggered by neuromodulators. We found that protection of neurons against excitotoxic insults, conferred by PDE2 inhibition, was diminished in NCLX KO neurons, thus is NCLX dependent. Finally, administration of Bay 60-7550 enhanced new object recognition learning in WT but not in NCLX KO mice. Our results identify a long-sought link between PDE and [Ca 2+ ]m signaling thereby providing new therapeutic targets.