We report that tumor cells without mitochondrial DNA (mtDNA) show delayed tumor growth, and that tumor formation is associated with acquisition of mtDNA from host cells. This leads to partial recovery of mitochondrial function in cells derived from primary tumors grown from cells without mtDNA and a shorter lag in tumor growth. Cell lines from circulating tumor cells showed further recovery of mitochondrial respiration and an intermediate lag to tumor growth, while cells from lung metastases exhibited full restoration of respiratory function and no lag in tumor growth. Stepwise assembly of mitochondrial respiratory (super)complexes was correlated with acquisition of respiratory function. Our findings indicate horizontal transfer of mtDNA from host cells in the tumor microenvironment to tumor cells with compromised respiratory function to re-establish respiration and tumor-initiating efficacy. These results suggest pathophysiological processes for overcoming mtDNA damage and support the notion of high plasticity of malignant cells.

Peroxidation of the lipid moieties of low density lipoproteins (LDL) is regarded as an early event in atherogenesis. Because bilirubin is a physiological reductant with antioxidant activities, we investigated its inhibitory action on the radical-mediated oxidation of LDL and plasma lipids. Exposing fresh human blood plasma to lipophilic peroxyl radicals generated from 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (AMVN) resulted in rapid oxidation of ubiquinol-10, followed by that of ascorbate and bilirubin. Plasma lipids were well protected from peroxidation as long as these three antioxidants were present, as assessed by the amounts of cholesterylester hydroperoxides formed during this period. Following consumption of these antioxidants, and in the presence of alpha-tocopherol, the rate of hydroperoxide formation increased sharply with roughly 2 molecules of cholesterylester hydroperoxides being formed for each peroxidation initiating event. Supplementation of AMVN-oxidizing plasma with exogenous bilirubin at the onset of rapid lipid peroxidation, i.e. after depletion of endogenous ubiquinol-10, ascorbate, and bilirubin, led to a halt in both hydroperoxide formation and consumption of alpha-tocopherol. When isolated LDL was incubated with AMVN, approximately 9 molecules of cholesterylester hydroperoxides were formed per peroxidation initiating event and while alpha-tocopherol was consumed. Addition of free or albumin-bound bilirubin to isolated LDL at the onset of oxidation resulted in a strong inhibition of hydroperoxide formation and alpha-tocopherol consumption, the effect being more pronounced with the free pigment. Addition of the corresponding amounts of albumin alone was without effect. In the presence of albumin-bound bilirubin, some 30% of the pigment was initially converted into biliverdin, whereas formation of this oxidation product was not observed with the free pigment. Also, the presence of bilirubin oxidase partially reversed the inhibitory activity of bilirubin on AMVN-induced LDL oxidation in the absence but not presence of albumin. An attenuation of hydroperoxide formation and a temporary increase in LDL's alpha-tocopherol concentration were observed when free- or albumin-bound bilirubin were added to AMVN-oxidizing, alpha-tocopherol-containing LDL. In contrast, hydroperoxide formation was not inhibited significantly when the albumin-bound pigment was added to oxidizing LDL after complete consumption of its alpha-tocopherol. Our results show that bilirubin inhibits oxidation of LDL lipids initiated within the lipoprotein core and indicate that this activity is mediated by interaction of the pigment with LDL's alpha-tocopherol.

α-Tocopheryl succinate (α-TOS) is a selective inducer of apoptosis in cancer cells, which involves the accumulation of reactive oxygen species (ROS). The molecular target of α-TOS has not been identified. Here, we show that α-TOS inhibits succinate dehydrogenase (SDH) activity of complex II (CII) by interacting with the proximal and distal ubiquinone (UbQ)-binding site (QP and QD, respectively). This is based on biochemical analyses and molecular modelling, revealing similar or stronger interaction energy of α-TOS compared to that of UbQ for the QP and QD sites, respectively. CybL-mutant cells with dysfunctional CII failed to accumulate ROS and underwent apoptosis in the presence of α-TOS. Similar resistance was observed when CybL was knocked down with siRNA. Reconstitution of functional CII rendered CybL-mutant cells susceptible to α-TOS. We propose that α-TOS displaces UbQ in CII causing electrons generated by SDH to recombine with molecular oxygen to yield ROS. Our data highlight CII, a known tumour suppressor, as a novel target for cancer therapy.

Recently, we showed that generation of tumours in syngeneic mice by cells devoid of mitochondrial (mt) DNA (ρ0 cells) is linked to the acquisition of the host mtDNA. However, the mechanism of mtDNA movement between cells remains unresolved. To determine whether the transfer of mtDNA involves whole mitochondria, we injected B16ρ0 mouse melanoma cells into syngeneic C57BL/6Nsu9-DsRed2 mice that express red fluorescent protein in their mitochondria. We document that mtDNA is acquired by transfer of whole mitochondria from the host animal, leading to normalisation of mitochondrial respiration. Additionally, knockdown of key mitochondrial complex I (NDUFV1) and complex II (SDHC) subunits by shRNA in B16ρ0 cells abolished or significantly retarded their ability to form tumours. Collectively, these results show that intact mitochondria with their mtDNA payload are transferred in the developing tumour, and provide functional evidence for an essential role of oxidative phosphorylation in cancer.

Highlights•Tumorigenesis depends on functional OXPHOS•OXPHOS-derived ATP is not required for tumor formation•DHODH-driven pyrimidine biosynthesis requires CoQ redox-cycling•CoQ redox-cycling via OXPHOS drives tumorigenesis through pyrimidine biosynthesisSummaryCancer cells without mitochondrial DNA (mtDNA) do not form tumors unless they reconstitute oxidative phosphorylation (OXPHOS) by mitochondria acquired from host stroma. To understand why functional respiration is crucial for tumorigenesis, we used time-resolved analysis of tumor formation by mtDNA-depleted cells and genetic manipulations of OXPHOS. We show that pyrimidine biosynthesis dependent on respiration-linked dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) is required to overcome cell-cycle arrest, while mitochondrial ATP generation is dispensable for tumorigenesis. Latent DHODH in mtDNA-deficient cells is fully activated with restoration of complex III/IV activity and coenzyme Q redox-cycling after mitochondrial transfer, or by introduction of an alternative oxidase. Further, deletion of DHODH interferes with tumor formation in cells with fully functional OXPHOS, while disruption of mitochondrial ATP synthase has little effect. Our results show that DHODH-driven pyrimidine biosynthesis is an essential pathway linking respiration to tumorigenesis, pointing to inhibitors of DHODH as potential anti-cancer agents.Graphical abstract

Abstract Embryos are regeneration and wound healing masters. They not only rapidly close their wounds, remodel injured tissue without a scar, but also regenerate body parts. Many animal models with variable regenerative capabilities have already been studied. Additionally, with the introduction of high throughput techniques, novel regeneration mechanisms including genes and signaling pathways, and specialized cell types required for regeneration control in spatial and temporal aspects have been identified. Until now our knowledge has been limited to primarily the late phases of regeneration (> 1 day post injury). In this paper, we reveal the critical steps for regeneration initiation. We have discovered Regeneration Initiating Cells (RICs) using single cell and spatial transcriptomic analyses during tail regeneration in Xenopus laevis . RICs are formed transiently from the basal epidermal cells and are critical for the modification of the surrounding extracellular matrix to allow for migration of other cell types such as regeneration organizing cells that further promote regeneration. Absence or deregulation of RICs leads to excessive extracellular matrix deposition and regeneration defects.

SUMMARY Metabolic dysfunction mutations can impair energy sensing and cause cancer. Loss of function of mitochondrial TCA cycle enzyme, succinate dehydrogenase B (SDHB) results in various forms of cancer typified by pheochromocytoma (PC). Here we delineate a signaling cascade where the loss of SDHB induces the Warburg effect in PC tumors, triggers dysregulation of Ca 2+ homeostasis, and aberrantly activates calpain and the protein kinase Cdk5, through conversion of its cofactor from p35 to p25. Consequently, aberrant Cdk5 initiates a cascade of phospho- signaling where GSK3 inhibition inactivates energy sensing by AMP-kinase through dephosphorylation of the AMP-kinase γ subunit, PRKAG2. Overexpression of p25-GFP in mouse adrenal chromaffin cells also elicits this phosphorylation signaling and causes PC tumor formation. A novel Cdk5 inhibitor, MRT3-007, reversed this phospho-cascade, invoking an anti- Warburg effect, cell cycle arrest, and senescence-like phenotype. This therapeutic approach halted tumor progression in vivo . Thus, we reveal an important novel mechanistic feature of metabolic sensing and demonstrate that its dysregulation underlies tumor progression in PC and likely other cancers. Highlights Loss of SDHB function in pheochromocytoma causes Ca 2+ dysregulation, calpain activation, and aberrant activation of the protein kinase Cdk5. Hyperactive Cdk5 deregulates a GSK3/PRKAG2/AMPKα signaling cascade. p25 overexpression and consequent aberrant Cdk5 activity in chromaffin cells causes pheochromocytoma. Inhibition of Cdk5 activates the PRKAG2/AMPK/p53 signaling to rescue cell senescence and block PC tumor progression. Graphical Abstract

Abstract Alterations in mitochondrial dynamics, including their trafficking, can present early manifestation of neuronal degeneration. However, current methodologies used to study mitochondrial trafficking events rely on parameters that are mostly altered in later stages of neurodegeneration. Our objective was to establish a reliable computational methodology to detect early alterations in neuronal mitochondrial trafficking. We propose a novel quantitative analysis of mitochondria trajectories based on innovative movement descriptors, including straightness, efficiency, anisotropy, and kurtosis. Using biological data from differentiated SH-SY5Y cells treated with mitochondrial toxicants 6-hydroxydopamine and rotenone, we evaluated time and dose-dependent alterations in trajectory descriptors. Mitochondrial movement was analyzed by total internal reflection fluorescence microscopy followed by computer modelling to describe the process. The stacks of individual images were analyzed by an open source MATLAB algorithm ( www.github.com/kandelj/MitoSPT ) and to characterize mitochondria trajectories, we used the Python package trajpy ( https://github.com/ocbe-uio/trajpy/ ). Our results confirm that this computational approach is effective and accurate in order to study mitochondrial motility and trajectories in the context of healthy and diseased neurons in different stages.