The mitochondrial theory of aging proposes that reactive oxygen species (ROS) generated inside the cell will lead, with time, to increasing amounts of oxidative damage to various cell components. The main site for ROS production is the respiratory chain inside the mitochondria and accumulation of mtDNA mutations, and impaired respiratory chain function have been associated with degenerative diseases and aging. The theory predicts that impaired respiratory chain function will augment ROS production and thereby increase the rate of mtDNA mutation accumulation, which, in turn, will further compromise respiratory chain function. Previously, we reported that mice expressing an error-prone version of the catalytic subunit of mtDNA polymerase accumulate a substantial burden of somatic mtDNA mutations, associated with premature aging phenotypes and reduced lifespan. Here we show that these mtDNA mutator mice accumulate mtDNA mutations in an approximately linear manner. The amount of ROS produced was normal, and no increased sensitivity to oxidative stress-induced cell death was observed in mouse embryonic fibroblasts from mtDNA mutator mice, despite the presence of a severe respiratory chain dysfunction. Expression levels of antioxidant defense enzymes, protein carbonylation levels, and aconitase enzyme activity measurements indicated no or only minor oxidative stress in tissues from mtDNA mutator mice. The premature aging phenotypes in mtDNA mutator mice are thus not generated by a vicious cycle of massively increased oxidative stress accompanied by exponential accumulation of mtDNA mutations. We propose instead that respiratory chain dysfunction per se is the primary inducer of premature aging in mtDNA mutator mice.

Summary

 Mitochondrial metabolism is necessary for the maintenance of oxidative TCA cycle function and mitochondrial membrane potential. Previous attempts to decipher whether mitochondria are necessary for biological outcomes have been hampered by genetic and pharmacologic methods that simultaneously disrupt multiple functions linked to mitochondrial metabolism. Here, we report that inducible depletion of mitochondrial DNA (ρ^ο cells) diminished respiration, oxidative TCA cycle function, and the mitochondrial membrane potential, resulting in diminished cell proliferation, hypoxic activation of HIF-1, and specific histone acetylation marks. Genetic reconstitution only of the oxidative TCA cycle function specifically in these inducible ρ^ο cells restored metabolites, resulting in re-establishment of histone acetylation. In contrast, genetic reconstitution of the mitochondrial membrane potential restored ROS, which were necessary for hypoxic activation of HIF-1 and cell proliferation. These results indicate that distinct mitochondrial functions associated with respiration are necessary for cell proliferation, epigenetics, and HIF-1 activation.

The non-coding regions of the mitochondrial DNAs (mtDNAs) of hares, rabbits, and pikas (Lagomorpha) contain short (∼20 bp) and long (130-160 bp) tandem repeats, absent in related mammalian orders. In the presented study, we provide in-depth analysis for mountain hare (Lepus timidus) and brown hare (L. europaeus) mtDNA non-coding regions, together with a species- and population-level analysis of tandem repeat variation. Mountain hare short tandem repeats (SRs) as well as other analyzed hare species consist of two conserved 10 bp motifs, with only brown hares exhibiting a single, more variable motif. Long tandem repeats (LRs) also differ in sequence and copy number between species. Mountain hares have four to seven LRs, median value five, while brown hares exhibit five to nine LRs, median value six. Interestingly, introgressed mountain hare mtDNA in brown hares obtained an intermediate LR length distribution, with median copy number being the same as with conspecific brown hare mtDNA. In contrast, transfer of brown hare mtDNA into cultured mtDNA-less mountain hare cells maintained the original LR number, whereas the reciprocal transfer caused copy number instability, suggesting that cellular environment rather than the nuclear genomic background plays a role in the LR maintenance. Due to their dynamic nature and separation from other known conserved sequence elements on the non-coding region of hare mitochondrial genomes, the tandem repeat elements likely to represent signatures of ancient genetic rearrangements. clarifying the nature and dynamics of these rearrangements may shed light on the possible role of NCR repeated elements in mitochondria and in species evolution.

ABSTRACT The robustness and sensitivity of gene networks to environmental changes is critical for cell survival. How gene networks produce specific, chronologically ordered responses to genome-wide perturbations, while robustly maintaining homeostasis, remains an open question. We analysed if short- and mid-term genome-wide responses to shifts in RNA polymerase (RNAP) concentration are influenced by the known topology and logic of the transcription factor network (TFN) of Escherichia coli . We found that, at the gene cohort level, the magnitude of the single-gene, mid-term transcriptional responses to changes in RNAP concentration can be explained by the absolute difference between the gene’s numbers of activating and repressing input transcription factors (TFs). Interestingly, this difference is strongly positively correlated with the number of input TFs of the gene. Meanwhile, short-term responses showed only weak influence from the TFN. Our results suggest that the global topological traits of the TFN of E. coli shape which gene cohorts respond to genome-wide stresses.

The non-coding regions of the mitochondrial DNAs (mtDNAs) of hares, rabbits, and pika (Lagomorpha) contain short (~20 bp) and long (130-160 bp) tandem repeats, absent in related mammalian orders. In the presented study, we provide functional annotation for mountain hare (Lepus timidus) and brown hare (L. europaeus) mtDNA non-coding regions, together with a species- and population-level analysis of tandem repeat variation. Mountain hare short tandem repeats (SRs) as well as other analyzed hare species consist of two conserved 10 bp motifs, with only brown hares exhibiting a single, more variable motif. Long tandem repeats (LRs) also differ in sequence and copy number between species. Mountain hares have four to seven LRs, median value five, while brown hares exhibit five to nine LRs, median value six. Interestingly, introgressed mountain hare mtDNA in brown hares obtained an intermediate LR length distribution, with median copy number being the same as with conspecific brown hare mtDNA. In contrast, transfer of brown hare mtDNA into cultured mtDNA-less mountain hare cells maintained the original LR number, whereas the reciprocal transfer caused copy number instability, suggesting that cellular environment rather than the nuclear genomic background plays a role in the LR maintenance. Due to their dynamic nature and separation from other known conserved sequence elements on the non-coding region of hare mitochondrial genomes, the tandem repeat elements are unlikely to have regulatory roles but are likely to represent selfish genetic elements.

Abstract Despite the beneficial effects of xenotopically expressing the mitochondrial alternative oxidase AOX from Ciona intestinalis in mammalian and insect models, important detrimental outcomes have also been reported, raising concerns regarding its potential deployment as a therapeutic enzyme for human mitochondrial diseases. Because of its non-protonmotive terminal oxidase activity, AOX can bypass the cytochrome segment of the respiratory chain whilst not contributing to mitochondrial ATP synthesis. We have previously shown that pupal lethality occurs when AOX-expressing Drosophila larvae are cultured on a low-nutrient diet, indicating that AOX can perturb normal metabolism during development. Here, combined omics analyses revealed multiple correlates of this diet-dependent lethality, including a general alteration of larval amino acid and lipid metabolism, functional and morphological changes to the larval digestive tract, and a drastic decrease in larval biomass accumulation. Pupae at the pre-lethality stage presented a general downregulation of mitochondrial metabolism and a signature of starvation and deregulated signaling. AOX-induced lethality was partially rescued when the low-nutrient diet was supplemented with tryptophan and/or methionine, but not with proline and/or glutamate, strongly suggesting perturbation of one-carbon metabolism. The developmental dependence on tryptophan and/or methionine, associated with elevated levels of lactate dehydrogenase, 2-hydroxyglutarate, choline-containing metabolites and breakdown products of membrane phospholipids, indicates that AOX expression promotes tissue proliferation and larval growth, but this is ultimately limited by energy dissipation due to partial mitochondrial uncoupling. We speculate that the combination of dietary interventions and AOX expression might, nevertheless, be useful for the metabolic regulation of proliferative tissues, such as tumors.

The temperate climate adapted brown hare (Lepus europaeus) and the cold-adapted mountain hare (Lepus timidus) are evolutionarily closely related and interfertile. Still, their cultured skin fibroblasts show clear differences in the expression of genes related to basic cellular metabolism. To study this further, we utilized targeted metabolomics analysis, metabolite tracing, and high-resolution respirometry, and identified significant differences in metabolic pathways associated with adaptive thermogenesis, including a higher rate of glycerol 3-phosphate (G3P) production in the mountain hare. We therefore investigated mitochondrial heat production and its dependence on G3P in the two hare species. The mountain hare maintained lower mitochondrial temperature and had weaker thermal change following OXPHOS inhibition. Manipulating mitochondrial glycerol 3-phosphate dehydrogenase (GPD2) levels demonstrated its role in mitochondrial thermogenesis and revealed species-specific function in maintaining mitochondrial membrane potential. This study unveils previously undocumented and unexpected species differences in the mitochondrial properties of fibroblasts that could indicate differences in metabolic adaptability. These findings also demonstrate the utility of cell culture models in assessing trait differences between species and their evolutionary significance, contributing to a deeper understanding of metabolic adaptation in animals and underscoring the potential of in vitro approaches for eco-physiological studies.

Viruses target mitochondria to promote their replication, and infection-induced stress during the progression of infection leads to the regulation of antiviral defenses and mitochondrial metabolism which are opposed by counteracting viral factors. The precise structural and functional changes that underlie how mitochondria react to the infection remain largely unclear. Here we show extensive transcriptional remodeling of protein-encoding host genes involved in the respiratory chain, apoptosis, and structural organization of mitochondria as herpes simplex virus type 1 lytic infection proceeds from early to late stages of infection. High-resolution microscopy and interaction analyses unveiled infection-induced emergence of rough, thin, and elongated mitochondria relocalized at the perinuclear area, a significant increase in the number and clustering of ER-mitochondria contact sites, and thickening and shortening of mitochondrial cristae. Finally, metabolic analyses demonstrated that reactivation of ATP production is accompanied by increased mitochondrial Ca2+ content and proton leakage as the infection proceeds. Overall, the significant structural and functional changes in the mitochondria triggered by the viral invasion are tightly connected to the progression of the virus infection.

In eukaryotes, ribonuclease H1 (RNase H1) is involved in the processing and removal of RNA/DNA hybrids in both nuclear and mitochondrial DNA. The enzyme comprises a C-terminal catalytic domain and an N-terminal hybrid-binding domain (HBD), separated by a linker of variable length, which in Drosophila melanogaster ( Dm ) is exceptionally long, 115 amino acids. Molecular modeling predicted this extended linker to fold into a structure similar to the conserved HBD. We measured catalytic activity and substrate binding by EMSA and biolayer interferometry, using a deletion series of protein variants. Both the catalytic domain and the conserved HBD were required for high-affinity binding to heteroduplex substrates, whilst loss of the novel HBD led to a ~90% drop in K[cat] with a decreased K[M], and a large increase in the stability of the RNA/DNA hybrid-enzyme complex. The findings support a bipartite binding model for the enzyme, whereby the second HBD facilitates dissociation of the active site from the product, allowing for processivity. We used shotgun proteomics to identify protein partners of the enzyme involved in mediating these effects. Single-stranded DNA-binding proteins from both the nuclear and mitochondrial compartments, respectively RpA-70 and mtSSB, were prominently detected by this method. However, we were not able to document direct interactions between mtSSB and Dm RNase H1 when co-overexpressed in S2 cells, or functional interactions in vitro. Further studies are needed to determine the exact reaction mechanism of Dm RNase H1, the nature of its interaction with mtSSB and the role of the second HBD in both.