ABSTRACT In recent years, culture-independent methods have been used in preference to traditional isolation techniques for microbial community analysis. However, it is questionable whether uncultured organisms from a given sample are important for determining the impact of anthropogenic stress on indigenous communities. To investigate this, soil samples were taken from a site with patchy metal contamination, and the bacterial community structure was assessed with a variety of approaches. There were small differences in microscopic epifluorescence bacterial counts. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) profiles of 16S rRNA gene fragments (16S-DGGE) amplified directly from soil samples were highly similar. A clone library generated from the most contaminated sample revealed a diverse bacterial community, which showed similarities to pristine soil communities from other studies. However, the proportion of bacteria from the soil samples that were culturable on standard plate-counting media varied between 0.08 and 2.2%, and these values correlated negatively with metal concentrations. The culturable communities from each sample were compared by 16S-DGGE of plate washes and by fatty acid profiling of individual isolates. Each approach indicated that there were considerable differences between the compositions of the culturable communities from each sample. DGGE bands from both culture-based and culture-independent approaches were sequenced and compared. These data indicated that metal contamination did not have a significant effect on the total genetic diversity present but affected physiological status, so that the number of bacteria capable of responding to laboratory culture and their taxonomic distribution were altered. Thus, it appears that plate counts may be a more appropriate method for determining the effect of heavy metals on soil bacteria than culture-independent approaches.

More from mTOR Leigh syndrome is a rare, untreatable, inherited neurodegenerative disease in children that is caused by functional disruption of mitochondria, the cell's energy-producing organelles. Johnson et al. (p. 1524 , published online 14 November; see Perspective by Vafai and Mootha ) show that rapamycin, a drug used clinically as an immunosuppressant and for treatment of certain cancers, delayed the onset and progression of neurological symptoms in a mouse model of Leigh syndrome and significantly extended survival of the animals. Rapamycin inhibits the so-called “mTOR” signaling pathway, which is currently under intense study because it plays a contributory role in many common diseases.

Summary

 Mitochondrial respiratory dysfunction is linked to the pathogenesis of multiple diseases, including heart failure, but the specific mechanisms for this link remain largely elusive. We modeled the impairment of mitochondrial respiration by the inactivation of the Ndufs4 gene, a protein critical for complex I assembly, in the mouse heart (cKO). Although complex I-supported respiration decreased by >40%, the cKO mice maintained normal cardiac function in vivo and high-energy phosphate content in isolated perfused hearts. However, the cKO mice developed accelerated heart failure after pressure overload or repeated pregnancy. Decreased NAD⁺/NADH ratio by complex I deficiency inhibited Sirt3 activity, leading to an increase in protein acetylation and sensitization of the permeability transition in mitochondria (mPTP). NAD⁺ precursor supplementation to cKO mice partially normalized the NAD⁺/NADH ratio, protein acetylation, and mPTP sensitivity. These findings describe a mechanism connecting mitochondrial dysfunction to the susceptibility to diseases and propose a potential therapeutic target.

Abstract Symmetric, progressive, necrotizing lesions in the brainstem are a defining feature of Leigh syndrome (LS). A mechanistic understanding of the pathogenesis of these lesions has been elusive. Here, we report that leukocyte proliferation is causally involved in the pathogenesis of Leigh syndrome. Directly depleting leukocytes with a colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) inhibitor dramatically attenuates disease, including complete prevention of CNS lesion formation and substantial extension of survival. Leukocyte depletion rescues a range of symptoms including hyperlactemia, seizures, respiratory function, and neurologic symptoms. These data provide a mechanistic explanation for the beneficial effects of mTOR inhibition. More importantly, these findings dramatically alter our understanding of the pathogenesis of LS, demonstrating that immune involvement directly drives disease. These findings have significant implication for the mechanisms of disease resulting from mitochondrial dysfunction, and may lead to novel therapeutic strategies. One-Sentence Summary Pharmacologic targeting of leukocytes prevents CNS lesions, neurological disease, and metabolic dysfunction in the Ndufs4 (KO) mouse model of Leigh syndrome.

Abstract Subacute necrotizing encephalopathy, or Leigh syndrome (LS), is the most common paediatric presentation of genetic mitochondrial disease. LS is a multi-system disorder with severe neurologic, metabolic, and musculoskeletal symptoms. The presence of progressive, symmetric, necrotizing lesions in the brainstem are a defining feature of the disease, and the major cause of morbidity and mortality, but the mechanisms underlying their pathogenesis have been elusive. Recently, we demonstrated that high-dose pexidartinib, a CSF1R inhibitor, prevents LS CNS lesions and systemic disease in the Ndufs4 (-/-) mouse model of LS. While the dose-response in this study implicated peripheral immune cells, the immune populations involved have not yet been elucidated. Here, we used a targeted genetic tool, deletion of the colony stimulating factor 1 receptor (CSF1R) macrophage super-enhancer FIRE ( Csf1r ΔFIRE), to specifically deplete microglia and define the role of microglia in the pathogenesis of LS. Homozygosity for the Csf1r ΔFIRE allele ablates microglia in both control and Ndufs4 (-/-) animals, but onset of CNS lesions and sequalae in the Ndufs4 (-/-), including mortality, are only marginally impacted by microglia depletion. The overall development of necrotizing CNS lesions is not altered, though microglia remain absent. Finally, histologic analysis of brainstem lesions provides direct evidence of a causal role for peripheral macrophages in the characteristic CNS lesions. These data demonstrate that peripheral macrophages play a key role in the pathogenesis disease in the Ndufs4 (-/-) model.

Abstract Leigh syndrome (LS) is the most common pediatric presentation of genetic mitochondrial disease. LS is a multi-system disease characterized by severe neurologic and metabolic abnormalities. The defining feature of the disease is the presence of symmetric, bilateral, progressive necrotizing lesions in the brain stem, cerebellum, and basal ganglia. The pathogenic mechanisms underlying disease initiation and progression in LS have yet to be elucidated. Recent evidence demonstrates that the immune system plays a key role in LS pathogenesis. Treatment with the macrophage-depleting Csf1r inhibitor pexidartinib prevents disease in the Ndufs4 (-/-) mouse model of LS, but the mechanisms leading to immune activation and governing disease progression remain to be elucidated. In recent work, the cytokines IFNγ and IFNγ-induced protein 10 (IP10) were found to be significantly elevated in Ndufs4 (-/-) brainstem. Given their role as macrophage-activating factors, here we sought to assess the role of IFNγ and IP10 in LS using by generating Ndufs4 (-/-)/ Ifng (-/-) and Ndufs4 (-/-)/ IP10 (-/-) double knockout lines. We find that IP10 alone does not significantly impact the onset or progression of disease in the Ndufs4 (-/-) model, while IFNγ loss significantly, but modestly, improves survival. These data indicate that IFNγ contributes to pathology, but that IFNγ and IP10 are both dispensable for overall disease course of LS. Our findings support some role for IFNγ targeting therapies in the management of mitochondrial disease, but suggest they may provide only modest benefits, at least in LS.

Volatile anesthetics (VAs) are widely used in medicine, but the mechanisms underlying their effects remain ill-defined. Though routine anesthesia is safe in healthy individuals, instances of sensitivity are well-documented, and there has been significant concern regarding the impact of VAs on neonatal brain development. Evidence indicates that VAs have multiple targets, with anesthetic and non-anesthetic effects mediated by neuroreceptors, ion channels, and the mitochondrial electron transport chain. Here, we characterize an unexpected metabolic effect of VAs in neonatal mice. Neonatal blood β-hydroxybutarate (ß-HB) is rapidly depleted by VAs at concentrations well below those necessary for anesthesia. β-HB in adults, including animals in dietary ketosis, is unaffected. Depletion of β-HB is mediated by citrate accumulation, malonyl-CoA production by acetyl-CoA carboxylase, and inhibition of fatty acid oxidation. Adults show similar significant changes to citrate and malonyl-CoA, but are insensitive to malonyl-CoA, displaying reduced metabolic flexibility compared to younger animals.