Reactive oxygen species (ROS), produced during various electron transfer reactions in vivo, are generally considered to be deleterious to cells. In the mammalian haematopoietic system, haematopoietic stem cells contain low levels of ROS. However, unexpectedly, the common myeloid progenitors (CMPs) produce significantly increased levels of ROS(2). The functional significance of this difference in ROS level in the two progenitor types remains unresolved. Here we show that Drosophila multipotent haematopoietic progenitors, which are largely akin to the mammalian myeloid progenitors, display increased levels of ROS under in vivo physiological conditions, which are downregulated on differentiation. Scavenging the ROS from these haematopoietic progenitors by using in vivo genetic tools retards their differentiation into mature blood cells. Conversely, increasing the haematopoietic progenitor ROS beyond their basal level triggers precocious differentiation into all three mature blood cell types found in Drosophila, through a signalling pathway that involves JNK and FoxO activation as well as Polycomb downregulation. We conclude that the developmentally regulated, moderately high ROS level in the progenitor population sensitizes them to differentiation, and establishes a signalling role for ROS in the regulation of haematopoietic cell fate. Our results lead to a model that could be extended to reveal a probable signalling role for ROS in the differentiation of CMPs in mammalian haematopoietic development and oxidative stress response.

Mitochondrial dysfunction is usually associated with aging. To systematically characterize the compensatory stress signaling cascades triggered in response to muscle mitochondrial perturbation, we analyzed a Drosophila model of muscle mitochondrial injury. We find that mild muscle mitochondrial distress preserves mitochondrial function, impedes the age-dependent deterioration of muscle function and architecture, and prolongs lifespan. Strikingly, this effect is mediated by at least two prolongevity compensatory signaling modules: one involving a muscle-restricted redox-dependent induction of genes that regulate the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) and another involving the transcriptional induction of the Drosophila ortholog of insulin-like growth factor-binding protein 7, which systemically antagonizes insulin signaling and facilitates mitophagy. Given that several secreted IGF-binding proteins (IGFBPs) exist in mammals, our work raises the possibility that muscle mitochondrial injury in humans may similarly result in the secretion of IGFBPs, with important ramifications for diseases associated with aberrant insulin signaling.

Abstract Respiratory complex I is a proton-pumping oxidoreductase key to bioenergetic metabolism. Biochemical studies have found a divide in the behavior of complex I in metazoans that aligns with the evolutionary split between Protostomia and Deuterostomia. Complex I from Deuterostomia including mammals can adopt an off-pathway “deactive” state, whereas complex I from Protostomia cannot. The presence of off-pathway states complicates the interpretation of structural results and has led to considerable mechanistic debate. Here we report the structure of mitochondrial complex I from the thoracic muscles of the model protostomian Drosophila melanogaster . We show that, although D. melanogaster complex I ( Dm -CI) does not deactivate the resting state of Dm -CI adopts multiple conformations. We identify a new helix-locked open state in which an N-terminal α-helix on the NDUFS4 subunit wedges between the peripheral and membrane arms. Comparison of the Dm -CI structure and conformational states to those observed in bacteria, yeast and mammals provides insight into the roles of subunits across organisms, explains why Dm -CI does not deactivate and reveals incompatibilities with current mechanistic models of complex I turnover. Additionally, the Dm -CI structure and novel regulatory mechanism will allow for the development of more selective pesticides for agriculture and human disease.

Acute lung immunity to inhaled pathogens elicits defensive pneumonitis that may convert to the Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), causing high mortality. Mechanisms underlying the conversion are not understood, but are of intense interest because of the ARDS-induced mortality in the ongoing Covid-19 pandemic. Here, by optical imaging of live lungs we show that key to the lethality is the functional status of mitochondrial Ca2+ buffering across the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) in the alveolar type 2 cells (AT2), which protect alveolar stability. In mice subjected to ARDS by airway exposure to lipopolysaccharide (LPS), or to Pseudomonas aeruginosa, there was marked loss of MCU expression in AT2. The ability of mice to survive ARDS depended on the extent to which the MCU expression recovered, indicating that the viability of Ca2+ buffering by AT2 mitochondria critically determines ARDS severity. Mitochondrial transfer to enhance AT2 MCU expression might protect against ARDS.

ABSTRACT Several subunits in the matrix domain of mitochondrial complex I (CI) have been posited to be redox sensors for CI; but how elevated levels of reactive oxygen species (ROS) impinge on CI assembly is unknown. We report that when the mitochondrial NADPH-generating enzyme – Isocitrate Dehydrogenase 2 – is genetically disrupted, ROS levels are elevated and assembly of the oxidative phosphorylation system (OXPHOS) is impaired. Mechanistically, this begins with a ROS-mediated inhibition of biosynthesis of the matrix domain of CI, which progresses to a point where ferroptotic signals are induced, the mitochondrial unfolded protein response is activated and multiple OXPHOS complexes are impaired. Disruption of other enzymes that eliminate hydrogen peroxide, but not those that eliminate the superoxide radical, recapitulates the phenotype; implicating hydrogen peroxide as the signaling molecule involved. Thus, the redox status of the mitochondrion modulates the assembly of the matrix domain of CI and ultimately that of the entire OXPHOS.

Abstract Tumor cells exhibit mitochondrial alterations and are also influenced by biobehavioral processes, but the intersection of biobehavioral factors and tumor mitochondria remains unexplored. Here we examined multiple biochemical and molecular markers of mitochondrial content and function in benign and cancerous ovarian tissue in parallel with exploratory analyses of biobehavioral factors. First, analysis of a publicly-available database (n=1,435) showed that gene expression of specific mitochondrial proteins in ovarian tumors is associated with survival. Quantifying multiple biochemical and molecular markers of mitochondrial content and function in 51 benign and 128 high-grade epithelial ovarian tumors revealed that compared to benign tissue, tumors exhibit 3.3-8.4-fold higher mitochondrial content and respiratory chain enzymatic activities (P<0.001) but similar mitochondrial DNA levels (−3.1%), documenting abnormal mitochondrial phenotypes in tumors. Mitochondrial respiratory chain activity was also associated with interleukin-6 (IL-6) levels in ascites. In benign tissue, negative biobehavioral factors were inversely correlated with mitochondrial content and respiratory chain activities, whereas positive biobehavioral factors tended to be positively correlated with mitochondrial measures, although effect sizes were small to medium (r=-0.43 to 0.47). In contrast, serous tumors showed less pronounced biobehavioral-mitochondrial correlations. These results document abnormal mitochondrial functional phenotypes in ovarian tumors and warrant further research on the link between biobehavioral factors and mitochondria in cancer.

Objective: Diabetes is characterized by pancreatic β-cell dedifferentiation. Dedifferentiating β-cells inappropriately metabolize lipids over carbohydrates and exhibit impaired mitochondrial oxidative phosphorylation. However, the mechanism linking the β-cell's response to an adverse metabolic environment with impaired mitochondrial function remains unclear. Methods: Here we report that the oxidoreductase cytochrome b5 reductase 3 (Cyb5r3) links FoxO1 signaling to β-cell stimulus/secretion coupling by regulating mitochondrial function, reactive oxygen species generation, and NAD/NADH ratios. Results: Expression of Cyb5r3 is decreased in FoxO1-deficient β-cells. Mice with β-cell-specific deletion of Cyb5r3 have impaired insulin secretion resulting in glucose intolerance and diet-induced hyperglycemia. Cyb5r3-deficient β-cells have a blunted respiratory response to glucose and display extensive mitochondrial and secretory granule abnormalities, consistent with altered differentiation. Moreover, FoxO1 is unable to maintain expression of key differentiation markers in Cyb5r3-deficient β-cells, suggesting that Cyb5r3 is required for FoxO1-dependent lineage stability. Conclusions: The findings highlight a pathway linking FoxO1 to mitochondrial dysfunction that can mediate β-cell failure.

Summary Mitochondrial respiratory chain (RC) function requires the stoichiometric interaction among dozens of proteins but their co-regulation has not been defined in the human brain. Here, using quantitative proteomics across three independent cohorts we systematically characterized the co-regulation patterns of mitochondrial RC proteins in the human dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). Whereas the abundance of RC protein subunits that physically assemble into stable complexes were correlated, indicating their co-regulation, RC assembly factors exhibited modest co-regulation. Within complex I, nuclear DNA-encoded subunits exhibited >2.5-times higher co-regulation than mitochondrial (mt)DNA-encoded subunits. Moreover, mtDNA copy number was unrelated to mtDNA-encoded subunits abundance, suggesting that mtDNA content is not limiting. Alzheimer’s disease (AD) brains exhibited reduced abundance of complex I RC subunits, an effect largely driven by a 2-4% overall lower mitochondrial protein content. These findings provide foundational knowledge to identify molecular mechanisms contributing to age- and disease-related erosion of mitochondrial function in the human brain.