Short-term starvation increases the effectiveness of chemotherapy against a wide range of tumor cell types.

Summary

 Mitochondria are known to be functional organelles, but their role as a signaling unit is increasingly being appreciated. The identification of a short open reading frame (sORF) in the mitochondrial DNA (mtDNA) that encodes a signaling peptide, humanin, suggests the possible existence of additional sORFs in the mtDNA. Here we report a sORF within the mitochondrial 12S rRNA encoding a 16-amino-acid peptide named MOTS-c (mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c) that regulates insulin sensitivity and metabolic homeostasis. Its primary target organ appears to be the skeletal muscle, and its cellular actions inhibit the folate cycle and its tethered de novo purine biosynthesis, leading to AMPK activation. MOTS-c treatment in mice prevented age-dependent and high-fat-diet-induced insulin resistance, as well as diet-induced obesity. These results suggest that mitochondria may actively regulate metabolic homeostasis at the cellular and organismal level via peptides encoded within their genome.

Strategies to treat cancer have focused primarily on the killing of tumor cells. Here, we describe a differential stress resistance (DSR) method that focuses instead on protecting the organism but not cancer cells against chemotherapy. Short-term starved S. cerevisiae or cells lacking proto-oncogene homologs were up to 1,000 times better protected against oxidative stress or chemotherapy drugs than cells expressing the oncogene homolog Ras2 val19 . Low-glucose or low-serum media also protected primary glial cells but not six different rat and human glioma and neuroblastoma cancer cell lines against hydrogen peroxide or the chemotherapy drug/pro-oxidant cyclophosphamide. Finally, short-term starvation provided complete protection to mice but not to injected neuroblastoma cells against a high dose of the chemotherapy drug/pro-oxidant etoposide. These studies describe a starvation-based DSR strategy to enhance the efficacy of chemotherapy and suggest that specific agents among those that promote oxidative stress and DNA damage have the potential to maximize the differential toxicity to normal and cancer cells.

Abstract Healthy aging can be promoted by enhancing metabolic fitness and physical capacity ( 1, 2 ). Mitochondria are chief metabolic organelles with strong implications in aging ( 3–8 ). In addition to their prominent role in bioenergetics, mitochondria also coordinate broad physiological functions by communicating to other cellular compartments or distal cells using multiple factors ( 9, 10 ), including peptides that are encoded within their own independent genome ( 11, 12 ). However, it is unknown if aging is actively regulated by factors encoded in the mitochondrial genome. MOTS-c is a mitochondrial-encoded peptide that regulates metabolic homeostasis ( 13, 14 ), in part, by translocating to the nucleus to regulate adaptive nuclear gene expression in response to cellular stress ( 15–17 ). Here, we report that MOTS-c is an exercise-induced mitochondrial-encoded peptide that significantly enhanced physical performance when administered to young (2 mo.), middle-aged (12 mo.), and old (22 mo.) mice. In humans, we found that endogenous MOTS-c levels significantly increased in response to exercise in skeletal muscle (11.9-fold) and in circulation (1.5-fold). Systemic MOTS-c treatment in mice significantly enhanced the performance on a treadmill of all age groups (~2-fold). MOTS-c regulated (i) nuclear genes, including those related to metabolism and protein homeostasis, (ii) glucose and amino acid metabolism in skeletal muscle, and (iii) myoblast adaptation to metabolic stress. Late-life (23.5 mo.) initiated intermittent MOTS-c treatment (3x/week) improved physical capacity and trended towards increasing lifespan. Our data indicate that aging is regulated by genes that are encoded not only in the nuclear genome ( 18, 19 ), but also in the mitochondrial genome. Considering that aging is the major risk factor for multiple chronic diseases ( 20, 21 ), our study provides new grounds for further investigation into mitochondrial-encoded regulators of healthy lifespan.

Abstract Severe heat stress causes massive loss of essential proteins by aggregation necessitating a cellular activity that rescues aggregated proteins. This activity is executed by ATP-dependent, ring-forming, hexameric AAA+ disaggregases. Little is known about the recognition principles of stress-induced protein aggregates. How can disaggregases specifically target aggregated proteins while avoiding binding to soluble non-native proteins? Here, we determined by NMR spectroscopy the core structure of the aggregate targeting N1 domain of the bacterial AAA+ disaggregase ClpG, which confers extreme heat resistance to bacteria. N1 harbors a Zn 2+ -coordination site that is crucial for structural integrity and disaggregase functionality. Conserved hydrophobic N1 residues located on a β-strand were found crucial for aggregate targeting and disaggregation activity. Mixing experiments with N1-truncated AAA+ hexamers revealed that a minimal number of four N1 domains must be present in a AAA+ ring for high disaggregation activity. We suggest that multiple N1 domains increase substrate affinity through avidity effects. These findings define the recognition principle of a protein aggregate by a disaggregase, involving simultaneous contacts with multiple hydrophobic substrate patches located in close vicinity on an aggregate surface. This binding mode ensures selectivity for aggregated proteins while sparing soluble, non-native protein structures from disaggregase activity.

A better understanding of antitumor immune responses is key to advancing the field of cancer immunotherapy. Endogenous immunity in cancer patients, such as circulating anticancer antibodies or tumor-reactive B cells, has been historically yet incompletely described. Here, we demonstrate that tumor-draining (sentinel) lymph node (SN) is a rich source for tumor-reactive B cells that give rise to systemic IgG anticancer antibodies circulating in the bloodstream of breast cancer patients. Using a synergistic combination of high-throughput B-cell sequencing and quantitative immunoproteomics, we describe the prospective identification of tumor-reactive SN B cells (based on clonal frequency) and also demonstrate an unequivocal link between affinity-matured expanded B-cell clones in the SN and antitumor IgG in the blood. This technology could facilitate the discovery of antitumor antibody therapeutics and conceivably identify novel tumor antigens. Lastly, these findings highlight the unique and specialized niche the SN can fill in the advancement of cancer immunotherapy.

Type 2 Diabetes (T2D) is an emerging public health problem in Asia. An Asian mitochondrial DNA variation m.1382A>C (rs111033358) leads to a K14Q amino acid replacement in MOTS-c, an insulin sensitizing mitochondrial-derived peptide. Meta-analysis of three cohorts (n=27,527, J53 MICC, MEC, and TMM) showed that males but not females with the C-allele exhibit a higher prevalence of T2D. Furthermore, in J-MICC, only males with the C-allele in the lowest tertile of physical activity increased their prevalence of T2D, demonstrating a kinesio-genomic interaction. High-fat fed, male mice injected with MOTS-c showed reduced weight and improved glucose tolerance, but not K14Q-MOTS-c treated mice. Like the human data, female mice were unaffected. Mechanistically, K14Q-MOTS-c leads to diminished insulin-sensitization in vitro. Thus, the m.1382A>C polymorphism is associated with susceptibility to T2D in men, possibly interacting with exercise, and contributing to the risk of T2D in sedentary males by reducing the activity of MOTS-c.

Abstract The mitochondrial DNA (mtDNA) can trigger immune responses and directly entrap pathogens, but it is not known to encode for active immune factors. The immune system is traditionally thought to be exclusively nuclear-encoded. Here, we report the identification of a mitochondrial-encoded host defense peptide (HDP) that presumably derives from the primordial proto-mitochondrial bacteria. We demonstrate that MOTS-c (mitochondrial open reading frame from the twelve S rRNA type-c) is a mitochondrial-encoded amphipathic and cationic peptide with direct antibacterial and immunomodulatory functions, consistent with the peptide chemistry and functions of known HDPs. MOTS-c targeted E. coli and methicillin-resistant S. aureus (MRSA), in part, by targeting their membranes using its hydrophobic and cationic domains. In monocytes, IFNγ, LPS, and differentiation signals each induced the expression of endogenous MOTS-c. Notably, MOTS-c translocated to the nucleus to regulate gene expression during monocyte differentiation and programmed them into macrophages with unique transcriptomic signatures related to antigen presentation and IFN signaling. MOTS-c-programmed macrophages exhibited enhanced bacterial clearance and shifted metabolism. Our findings support MOTS-c as a first-in-class mitochondrial-encoded HDP and indicates that our immune system is not only encoded by the nuclear genome, but also by the co-evolved mitochondrial genome.