Genome-wide pervasive transcription has been reported in many eukaryotic organisms, revealing a highly interleaved transcriptome organization that involves hundreds of previously unknown non-coding RNAs. These recently identified transcripts either exist stably in cells (stable unannotated transcripts, SUTs) or are rapidly degraded by the RNA surveillance pathway (cryptic unstable transcripts, CUTs). One characteristic of pervasive transcription is the extensive overlap of SUTs and CUTs with previously annotated features, which prompts questions regarding how these transcripts are generated, and whether they exert function. Single-gene studies have shown that transcription of SUTs and CUTs can be functional, through mechanisms involving the generated RNAs or their generation itself. So far, a complete transcriptome architecture including SUTs and CUTs has not been described in any organism. Knowledge about the position and genome-wide arrangement of these transcripts will be instrumental in understanding their function. Here we provide a comprehensive analysis of these transcripts in the context of multiple conditions, a mutant of the exosome machinery and different strain backgrounds of Saccharomyces cerevisiae. We show that both SUTs and CUTs display distinct patterns of distribution at specific locations. Most of the newly identified transcripts initiate from nucleosome-free regions (NFRs) associated with the promoters of other transcripts (mostly protein-coding genes), or from NFRs at the 3' ends of protein-coding genes. Likewise, about half of all coding transcripts initiate from NFRs associated with promoters of other transcripts. These data change our view of how a genome is transcribed, indicating that bidirectionality is an inherent feature of promoters. Such an arrangement of divergent and overlapping transcripts may provide a mechanism for local spreading of regulatory signals-that is, coupling the transcriptional regulation of neighbouring genes by means of transcriptional interference or histone modification.

Mitochondrial calcium uptake has a central role in cell physiology by stimulating ATP production, shaping cytosolic calcium transients and regulating cell death. The biophysical properties of mitochondrial calcium uptake have been studied in detail, but the underlying proteins remain elusive. Here we use an integrative strategy to predict human genes involved in mitochondrial calcium entry based on clues from comparative physiology, evolutionary genomics and organelle proteomics. RNA interference against 13 top candidates highlighted one gene, CBARA1, that we call hereafter mitochondrial calcium uptake 1 (MICU1). Silencing MICU1 does not disrupt mitochondrial respiration or membrane potential but abolishes mitochondrial calcium entry in intact and permeabilized cells, and attenuates the metabolic coupling between cytosolic calcium transients and activation of matrix dehydrogenases. MICU1 is associated with the mitochondrial inner membrane and has two canonical EF hands that are essential for its activity, indicating a role in calcium sensing. MICU1 represents the founding member of a set of proteins required for high-capacity mitochondrial calcium uptake. Its discovery may lead to the complete molecular characterization of mitochondrial calcium uptake pathways, and offers genetic strategies for understanding their contribution to normal physiology and disease. Uptake of calcium by mitochondria is crucial for many aspects of cellular function, and an imbalance can trigger cell death. Despite this, none of the proteins mediating mitochondrial uptake and buffering of calcium was known. Now one such protein — named 'mitochondrial calcium uptake 1' or MICU1 — has been identified. MICU1 is localized to the mitochondrion and is specifically required for calcium uptake. Genetic disruption of the MICU1 gene interrupts metabolic coupling between mitochondrial metabolism and calcium signalling. This work should facilitate the molecular characterization of mitochondrial calcium-uptake machinery and its role in normal physiology and diseases. The uptake of calcium by mitochondria has a central role in cell physiology, and an imbalance can trigger cell death. Now the first protein that is localized to the mitochondrion and is specifically required for calcium uptake has been identified. This protein, mitochondrial calcium uptake 1 (MICU1), represents the founding member of a set of proteins required for high-capacity calcium uptake. Its discovery should aid in the full molecular characterization of the mitochondrial calcium uptake pathways.

Mitochondrial Ca2+ uptake via the uniporter is central to cell metabolism, signaling, and survival. Recent studies identified MCU as the uniporter's likely pore and MICU1, an EF-hand protein, as its critical regulator. How this complex decodes dynamic cytoplasmic [Ca2+] ([Ca2+]c) signals, to tune out small [Ca2+]c increases yet permit pulse transmission, remains unknown. We report that loss of MICU1 in mouse liver and cultured cells causes mitochondrial Ca2+ accumulation during small [Ca2+]c elevations but an attenuated response to agonist-induced [Ca2+]c pulses. The latter reflects loss of positive cooperativity, likely via the EF-hands. MICU1 faces the intermembrane space and responds to [Ca2+]c changes. Prolonged MICU1 loss leads to an adaptive increase in matrix Ca2+ binding, yet cells show impaired oxidative metabolism and sensitization to Ca2+ overload. Collectively, the data indicate that MICU1 senses the [Ca2+]c to establish the uniporter's threshold and gain, thereby allowing mitochondria to properly decode different inputs.

Summary

 Imiquimod is a small-molecule ligand of Toll-like receptor-7 (TLR7) that is licensed for the treatment of viral infections and cancers of the skin. Imiquimod has TLR7-independent activities that are mechanistically unexplained, including NLRP3 inflammasome activation in myeloid cells and apoptosis induction in cancer cells. We investigated the mechanism of inflammasome activation by imiquimod and the related molecule CL097 and determined that K⁺ efflux was dispensable for NLRP3 activation by these compounds. Imiquimod and CL097 inhibited the quinone oxidoreductases NQO2 and mitochondrial Complex I. This induced a burst of reactive oxygen species (ROS) and thiol oxidation, and led to NLRP3 activation via NEK7, a recently identified component of this inflammasome. Metabolic consequences of Complex I inhibition and endolysosomal effects of imiquimod might also contribute to NLRP3 activation. Our results reveal a K⁺ efflux-independent mechanism for NLRP3 activation and identify targets of imiquimod that might be clinically relevant.

Lipid composition is conserved within sub-cellular compartments to maintain cell function. Lipidomic analyses of liver, muscle, white and brown adipose tissue (BAT) mitochondria revealed substantial differences in their glycerophospholipid (GPL) and free cholesterol (FC) contents. The GPL to FC ratio was 50-fold higher in brown than white adipose tissue mitochondria. Their purity was verified by comparison of proteomes with ER and mitochondria-associated membranes. A lipid signature containing PC and FC, calculated from the lipidomic profiles, allowed differentiation of mitochondria from BAT of mice housed at different temperatures. Elevating FC in BAT mitochondria prevented uncoupling protein (UCP) 1 function, whereas increasing GPL boosted it. Similarly, STARD3 overexpression facilitating mitochondrial FC import inhibited UCP1 function in primary brown adipocytes, whereas a knockdown promoted it. We conclude that the mitochondrial GPL/FC ratio is key for BAT function and propose that targeting it might be a promising strategy to promote UCP1 activity.

Brown adipose tissue (BAT) is a heater organ that expresses thermogenic uncoupling protein 1 (UCP1) to maintain high body temperatures during cold stress. BAT thermogenesis is considered an overarching mammalian trait, but its evolutionary origin is unknown. We show that adipose tissue of marsupials, which diverged from eutherian mammals ~ 150 million years ago, expresses a nonthermogenic UCP1 variant governed by a partial transcriptomic BAT signature similar to that found in eutherian beige adipose tissue. We found that the reconstructed UCP1 sequence of the common eutherian ancestor displayed typical thermogenic activity, whereas therian ancestor UCP1 is nonthermogenic. Thus, mammalian adipose tissue thermogenesis may have evolved in two distinct stages, with a prethermogenic stage in the common therian ancestor linking UCP1 expression to adipose tissue and thermal stress. We propose that in a second stage, UCP1 acquired its thermogenic function specifically in eutherians, such that the onset of mammalian BAT thermogenesis occurred only after the divergence from marsupials.

The mitochondrial calcium uniporter is a highly selective ion channel composed of species- and tissue-specific structural and regulatory subunits. However, the contribution of each component to uniporter-mediated activity still remains unclear. Here, we employ an evolutionary and synthetic biology approach to investigate the functional inter-dependence between the pore-forming subunit MCU and the EF-hand protein MICU1. Using phylogenetic profiling and genetic complementation analyses, we show that MCU and MICU1 constitute the minimal eukaryotic unit of the uniporter, pointing towards a strong selective pressure behind their co-occurrence. Heterologous reconstitution of MCU-mediated and MICU1-gated mitochondrial calcium entry in vivo in yeast cells demonstrates that MICU1 per se is essential to protect yeast from MCU-dependent manganese cytotoxicity. Accordingly, MICU1 deletion significantly sensitizes human HEK-293 cells to manganese induced stress. Our study identifies a critical role of MICU1 in the regulation of MCU ion selectivity, with potential implications for patients with MICU1 deficiency.

ABSTRACT The Mitochondrial Ca 2+ Uniporter Channel (MCUC) allows calcium entry into the mitochondrial matrix to regulate energy metabolism but also cell death. Although, several MCUC components have been identified, the molecular basis of mitochondrial Ca 2+ signaling networks and their remodeling upon changes in uniporter activity have not been systematically assessed. Using an unbiased and quantitative proteomic approach, we map the MCUC interactome in HEK293 cells under physiological conditions and upon chronic loss or gain of mitochondrial Ca 2+ uptake. Besides all previously known subunits of the uniporter, we identify 89 high-confidence interactors linking MCUC to several mitochondrial complexes and pathways, half of which are currently linked to metabolic, neurological, and immunological diseases. As a proof-of-concept, we validate EFHD1 as a binding partner of MCU, EMRE and MCUB with a MICU1-dependent inhibitory effect on Ca 2+ uptake. To investigate compensatory mechanisms and functional consequences of mitochondrial Ca 2+ dyshomeostasis, we systematically survey the MCU interactome upon silencing of EMRE, MCUB, MICU1 or MICU2. We observe profound changes in the MCU interconnectivity, whereby downregulation of EMRE reduces the number of MCU interactors of over 10-fold, while silencing of MCUB leads to a wider functional network linking MCU to mitochondrial stress response pathways and cell death. Altogether our study provides a comprehensive map of MCUC protein-protein interactions and a rich, high-confidence resource that can be explored to gain insights into the players and mechanisms involved in calcium signal transduction cascades and their relevance in human diseases.

Mitochondria vary in morphology and function in different tissues, however little is known about their molecular diversity among cell types. To investigate mitochondrial diversity in vivo, we developed an efficient protocol to isolate cell type-specific mitochondria based on a new MitoTag mouse. We profiled the mitochondrial proteome of three major neural cell types in cerebellum and identified a substantial number of differential mitochondrial markers for these cell types in mice and humans. Based on predictions from these proteomes, we demonstrate that astrocytic mitochondria metabolize long-chain fatty acids more efficiently than neurons. Moreover, we identified Rmdn3 as a major determinant of ER-mitochondria proximity in Purkinje cells. Our novel approach enables exploring mitochondrial diversity on the functional and molecular level in many in vivo contexts.

Abstract Background Mitochondria produce cellular energy in the form of ATP and are involved in various metabolic and signaling processes. However, the cellular requirements for mitochondria are different depending on cell type, cell state or organism. Information on the expression dynamics of genes with mitochondrial functions (mito-genes) is embedded in publicly available transcriptomic or proteomic studies and the variety of available datasets enables us to study the expression dynamics of mito-genes in many different cell types, conditions and organisms. Yet, we lack an easy way of extracting these data for gene groups such as mito-genes. Results Here, we introduce the web-based visual data mining platform mitoXplorer, which systematically integrates expression and mutation data of mito-genes. The central part of mitoXplorer is a manually curated mitochondrial interactome containing ~1200 genes, which we have annotated in 35 different mitochondrial processes. This mitochondrial interactome can be integrated with publicly available transcriptomic, proteomic or mutation data in a user-centric manner. A set of analysis and visualization tools allows the mining and exploration of mitochondrial expression dynamics and mutations across various datasets from different organisms and to quantify the adaptation of mitochondrial dynamics to different conditions. We apply mitoXplorer to quantify expression changes of mito-genes of a set of aneuploid cell lines that carry an extra copy of chromosome 21. mitoXplorer uncovers remarkable differences in the regulation of the mitochondrial transcriptome and proteome due to the dysregulation of the mitochondrial ribosome in retinal pigment epithelial trisomy 21 cells which results in severe defects in oxidative phosphorylation. Conclusions We demonstrate the power of the visual data mining platform mitoXplorer to explore expression data in a focused and detailed way to uncover underlying potential mechanisms for further experimental studies. We validate the hypothesis-creating power of mitoXplorer by testing predicted phenotypes in trisomy 21 model systems. MitoXplorer is freely available at http://mitoxplorer.ibdm.univ-mrs.fr. MitoXplorer does not require installation nor programming knowledge and is web-based. Therefore, mitoXplorer is accessible to a wide audience of experimental experts studying mitochondrial dynamics.