Abstract Mitochondria are complex organelles that play a central role in metabolism. Dynamic membrane-associated processes regulate mitochondrial morphology and bioenergetics in response to cellular demand. In tumor cells, metabolic reprogramming requires active mitochondrial metabolism for providing key metabolites and building blocks for tumor growth and rapid proliferation. To counter this, the mitochondrial serine beta-lactamase-like protein (LACTB) alters mitochondrial lipid metabolism and potently inhibits the proliferation of a variety of tumor cells. Mammalian LACTB is localized in the mitochondrial intermembrane space, where it assembles into filaments to regulate the efficiency of essential metabolic processes. However, the structural basis of LACTB polymerization and regulation remains incompletely understood. Here, we describe how human LACTB self-assembles into micron-scale filaments that increase their catalytic activity. The electron cryo-microscopy (cryoEM) structure defines the mechanism of assembly and reveals how highly ordered filament bundles stabilize the active state of the enzyme. We identify and characterize residues that are located at the filament-forming interface, and further show that mutations that disrupt filamentation reduce enzyme activity. Furthermore, our results provide evidence that LACTB filaments can bind lipid membranes. These data reveal the detailed molecular organization and polymerization-based regulation of human LACTB and provide new insights into the mechanism of mitochondrial membrane organization that modulates lipid metabolism.

ABSTRACT Rhabdomyolysis is the acute breakdown of skeletal myofibres in response to an initiating factor, most commonly toxins and over exertion. A variety of genetic disorders predispose to rhabdomyolysis through different pathogenic mechanisms, particularly in patients with recurrent episodes. However, the majority of cases remain without a genetic diagnosis. Here we present six patients who presented with severe and recurrent rhabdomyolysis, usually with onset in the teenage years; other features included a history of myalgia and muscle cramps. We identified ten bi-allelic loss-of-function variants in the gene encoding obscurin ( OBSCN ) co-segregating with disease. We show reduced expression of OBSCN and loss of obscurin protein in patient muscle. Obscurin is proposed to be involved in SR function and Ca 2+ handling. Patient cultured myoblasts appear more susceptible to starvation as evidenced by a greater decreased in SR Ca 2+ content compared to control myoblasts. This likely reflects a lower efficiency when pumping Ca 2+ back into the SR and/or a decrease in Ca 2+ SR storage ability when metabolism is diminished. OSBCN variants have previously been associated with cardiomyopathies. None of the patients presented with a cardiomyopathy and cardiac examinations were normal in all cases in which cardiac function was assessed. There was also no history of cardiomyopathy in first degree relatives, in particular in any of the carrier parents. This cohort is relatively young, thus follow-up studies and the identification of additional cases with bi-allelic null OBSCN variants will further delineate OBSCN -related disease and the clinical course of disease.

Cardiolipin (CL) is a mitochondria-specific phospholipid that forms heterotypic interactions with membrane-shaping proteins and regulates the dynamic remodeling and function of mitochondria. However, the precise mechanisms through which CL influences mitochondrial morphology are not well understood. In this study, employing molecular dynamics (MD) simulations, we observed CL localize near the membrane-binding sites of the mitochondrial fusion protein Optic Atrophy 1 (OPA1). To validate these findings experimentally, we developed a bromine-labeled CL probe to enhance cryoEM contrast and characterize the structure of OPA1 assemblies bound to the CL-brominated lipid bilayers. Our images provide direct evidence of interactions between CL and two conserved motifs within the paddle domain (PD) of OPA1, which control membrane-shaping mechanisms. We further observed a decrease in membrane remodeling activity for OPA1 in lipid compositions with increasing concentrations of monolyso-cardiolipin (MLCL). Suggesting that the partial replacement of CL by MLCL accumulation, as observed in Barth syndrome-associated mutations of the tafazzin phospholipid transacylase, compromises the stability of protein-membrane interactions. Our analyses provide insights into how biological membranes regulate the mechanisms governing mitochondrial homeostasis.

Abstract Mitochondrial fission occurs in many cellular processes, but the regulation of fission is poorly understood. We show that long-chain acyl coenzyme A (LCACA) activates two related mitochondrial fission proteins, MiD49 and MiD51, by inducing their oligomerization, activating their ability to stimulate DRP1 GTPase activity. The 1:1 stoichiometry of LCACA:MiD in the oligomer suggests interaction in the previously identified nucleotide-binding pocket, and a point mutation in this pocket reduces LCACA binding and LCACA-induced oligomerization for MiD51. In cells, this LCACA binding mutant does not assemble into puncta on mitochondria or rescue MiD49/51 knock-down effects on mitochondrial length and DRP1 recruitment. Furthermore, cellular treatment with the fatty acid analogue 2-bromopalmitate, which causes increased acyl-CoA, promotes mitochondrial fission in an MiD49/51-dependent manner. These results suggest that LCACA is an endogenous ligand for MiDs, inducing mitochondrial fission and providing a potential mechanism for fatty acid-induced mitochondrial fragmentation. Finally, MiD49 or MiD51 oligomers synergize with MFF, but not with actin filaments, in DRP1 activation, suggesting distinct pathways for DRP1 activation.