Mitochondria are critical to the governance of metabolism and bioenergetics in cancer cells1. The mitochondria form highly organized networks, in which their outer and inner membrane structures define their bioenergetic capacity2,3. However, in vivo studies delineating the relationship between the structural organization of mitochondrial networks and their bioenergetic activity have been limited. Here we present an in vivo structural and functional analysis of mitochondrial networks and bioenergetic phenotypes in non-small cell lung cancer (NSCLC) using an integrated platform consisting of positron emission tomography imaging, respirometry and three-dimensional scanning block-face electron microscopy. The diverse bioenergetic phenotypes and metabolic dependencies we identified in NSCLC tumours align with distinct structural organization of mitochondrial networks present. Further, we discovered that mitochondrial networks are organized into distinct compartments within tumour cells. In tumours with high rates of oxidative phosphorylation (OXPHOSHI) and fatty acid oxidation, we identified peri-droplet mitochondrial networks wherein mitochondria contact and surround lipid droplets. By contrast, we discovered that in tumours with low rates of OXPHOS (OXPHOSLO), high glucose flux regulated perinuclear localization of mitochondria, structural remodelling of cristae and mitochondrial respiratory capacity. Our findings suggest that in NSCLC, mitochondrial networks are compartmentalized into distinct subpopulations that govern the bioenergetic capacity of tumours.

The mitochondrial inner membrane can reshape under different physiological conditions. How and at which frequency this occurs in vivo and what are the molecular players involved is unknown. Here we show using state-of-the-art live-cell stimulated emission depletion (STED) super-resolution nanoscopy that crista junctions (CJs) are dynamically fusing and dividing in a reversible and balanced manner at a timescale of seconds. CJ dynamics is strongly reduced in the absence of the MICOS subunit MIC13. Staining of the cristae membrane using different protein markers or two inner mitochondrial membrane-specific dyes revealed that cristae also undergo continuous cycles of fusion and fission. These processes are dependent on MIC13 and occur at a timescale of seconds, resembling CJ dynamics. Our data further suggest that MIC60 acts as a docking platform pioneering CJ formation. Overall, by employing a variety of advanced imaging techniques including FRAP (Fluorescence-Recovery-After Photobleaching), SPT (Single-Particle-Tracking), live-cell STED and confocal Airyscan microscopy we demonstrate that cristae undergo continuous cycles of fusion and fission in a manner that is mechanistically linked to CJ formation and dynamics.

Changes to mitochondrial architecture are associated with various adaptive and pathogenic processes. However, quantification of changes to mitochondrial structures are limited by the yet unmet challenge of defining the borders of each individual mitochondrion within an image. Here, we describe a novel method for segmenting Brown Adipose Tissue (BAT) images. We describe a granular approach to quantifying subcellular structures, particularly mitochondria in close proximity to lipid droplets, peri-droplet mitochondria. In addition, we lay out a novel machine-learning-based mitochondrial segmentation method that eliminates the bias of manual mitochondrial segmentation and improves object recognition compared to conventional thresholding analyses. By applying these methods, we discovered a significant difference between cytosolic and peridroplet BAT mitochondrial H2O2 production, and validated the machine learning algorithm in BAT via norepinephrine-induced mitochondrial fragmentation and comparing manual analyses to the automated analysis. This approach provides a higher-throughput analysis protocol to quantify ratiometric probes in subpopulations of mitochondria in adipocytes.