Selenoproteins are rare proteins among all kingdoms of life containing the 21st amino acid, selenocysteine. Selenocysteine resembles cysteine, differing only by the substitution of selenium for sulfur. Yet the actual advantage of selenolate- versus thiolate-based catalysis has remained enigmatic, as most of the known selenoproteins also exist as cysteine-containing homologs. Here, we demonstrate that selenolate-based catalysis of the essential mammalian selenoprotein GPX4 is unexpectedly dispensable for normal embryogenesis. Yet the survival of a specific type of interneurons emerges to exclusively depend on selenocysteine-containing GPX4, thereby preventing fatal epileptic seizures. Mechanistically, selenocysteine utilization by GPX4 confers exquisite resistance to irreversible overoxidation as cells expressing a cysteine variant are highly sensitive toward peroxide-induced ferroptosis. Remarkably, concomitant deletion of all selenoproteins in Gpx4cys/cys cells revealed that selenoproteins are dispensable for cell viability provided partial GPX4 activity is retained. Conclusively, 200 years after its discovery, a specific and indispensable role for selenium is provided.

Summary

 We report that astrocytic insulin signaling co-regulates hypothalamic glucose sensing and systemic glucose metabolism. Postnatal ablation of insulin receptors (IRs) in glial fibrillary acidic protein (GFAP)-expressing cells affects hypothalamic astrocyte morphology, mitochondrial function, and circuit connectivity. Accordingly, astrocytic IR ablation reduces glucose-induced activation of hypothalamic pro-opio-melanocortin (POMC) neurons and impairs physiological responses to changes in glucose availability. Hypothalamus-specific knockout of astrocytic IRs, as well as postnatal ablation by targeting glutamate aspartate transporter (GLAST)-expressing cells, replicates such alterations. A normal response to altering directly CNS glucose levels in mice lacking astrocytic IRs indicates a role in glucose transport across the blood-brain barrier (BBB). This was confirmed in vivo in GFAP-IR KO mice by using positron emission tomography and glucose monitoring in cerebral spinal fluid. We conclude that insulin signaling in hypothalamic astrocytes co-controls CNS glucose sensing and systemic glucose metabolism via regulation of glucose uptake across the BBB.

Breakthrough technologies to measure cellular oxygen consumption and proton efflux are reigniting the study of cellular energetics by increasing the scope and pace with which discoveries are made. As we learn the variation in metabolism between cell types is large, it is helpful to continually provide additional perspectives and update our roadmap for data interpretation. In that spirit, this chapter provides the following for those conducting microplate-based oxygen consumption experiments: (i) a description of the standard parameters for measuring respiration in intact cells, (ii) a framework for data analysis and normalization, and (iii) examples of measuring respiration in permeabilized cells to follow up results observed with intact cells. Additionally, rate-based measurements of extracellular pH are increasingly used as a qualitative indicator of glycolytic flux. As a resource to help interpret these measurements, this chapter also provides a detailed accounting of proton production during glucose oxidation in the context of plate-based assays.

In endothermic species, heat released as a product of metabolism ensures stable internal temperature throughout the organism, despite varying environmental conditions. Mitochondria are major actors in this thermogenic process. Part of the energy released by the oxidation of respiratory substrates drives ATP synthesis and metabolite transport, but a substantial proportion is released as heat. Using a temperature-sensitive fluorescent probe targeted to mitochondria, we measured mitochondrial temperature in situ under different physiological conditions. At a constant external temperature of 38 °C, mitochondria were more than 10 °C warmer when the respiratory chain (RC) was fully functional, both in human embryonic kidney (HEK) 293 cells and primary skin fibroblasts. This differential was abolished in cells depleted of mitochondrial DNA or treated with respiratory inhibitors but preserved or enhanced by expressing thermogenic enzymes, such as the alternative oxidase or the uncoupling protein 1. The activity of various RC enzymes was maximal at or slightly above 50 °C. In view of their potential consequences, these observations need to be further validated and explored by independent methods. Our study prompts a critical re-examination of the literature on mitochondria.

In contrast to previously reported findings, M2-like polarized macrophages are not a source of catecholamines and do not contribute to browning of the fat. Adaptive thermogenesis is the process of heat generation in response to cold stimulation. It is under the control of the sympathetic nervous system, whose chief effector is the catecholamine norepinephrine (NE). NE enhances thermogenesis through β3-adrenergic receptors to activate brown adipose tissue and by 'browning' white adipose tissue. Recent studies have reported that alternative activation of macrophages in response to interleukin (IL)-4 stimulation induces the expression of tyrosine hydroxylase (TH), a key enzyme in the catecholamine synthesis pathway, and that this activation provides an alternative source of locally produced catecholamines during the thermogenic process. Here we report that the deletion of Th in hematopoietic cells of adult mice neither alters energy expenditure upon cold exposure nor reduces browning in inguinal adipose tissue. Bone marrow–derived macrophages did not release NE in response to stimulation with IL-4, and conditioned media from IL-4-stimulated macrophages failed to induce expression of thermogenic genes, such as uncoupling protein 1 (Ucp1), in adipocytes cultured with the conditioned media. Furthermore, chronic treatment with IL-4 failed to increase energy expenditure in wild-type, Ucp1−/− and interleukin-4 receptor-α double-negative (Il4ra−/−) mice. In agreement with these findings, adipose-tissue-resident macrophages did not express TH. Thus, we conclude that alternatively activated macrophages do not synthesize relevant amounts of catecholamines, and hence, are not likely to have a direct role in adipocyte metabolism or adaptive thermogenesis.

Metabolic diseases are often characterized by circadian misalignment in different tissues, yet how altered coordination and communication among tissue clocks relate to specific pathogenic mechanisms remains largely unknown. Applying an integrated systems biology approach, we performed 24-hr metabolomics profiling of eight mouse tissues simultaneously. We present a temporal and spatial atlas of circadian metabolism in the context of systemic energy balance and under chronic nutrient stress (high-fat diet [HFD]). Comparative analysis reveals how the repertoires of tissue metabolism are linked and gated to specific temporal windows and how this highly specialized communication and coherence among tissue clocks is rewired by nutrient challenge. Overall, we illustrate how dynamic metabolic relationships can be reconstructed across time and space and how integration of circadian metabolomics data from multiple tissues can improve our understanding of health and disease.

Abstract Reprogramming of the cellular metabolism is a hallmark of pancreatic cancer, yet it remains unclear at what stage during carcinogenesis it occurs. Here, we investigated the metabolic requirements for acinar-to-ductal metaplasia (ADM), the first step in pancreatic carcinogenesis. We detected increased glycolytic marker expression in human ADM suggesting that a metabolic switch occurs during ADM formation. We report that this switch was similarly required for ADM formation in different oncogenic mouse models (KRAS, PI3K, and MEK1) and in ligand-induced ADM in mouse wild-type acini. In addition, we show that a functional electron transport chain (ETC), but not mitochondrial ATP production, was essential to ADM formation. We conclude that the ETC provides NAD + for the de novo synthesis of serine from glycolysis intermediates. Our findings demonstrate that metabolic programming is essential for the initiation of pancreatic carcinogenesis and thus identifies potential targets for metabolic intervention.

Abstract Metabolic reprogramming is a hallmark of cancer and is crucial for cancer progression, making it an attractive therapeutic target. Understanding the role of metabolic reprogramming in cancer initiation could help identify prevention strategies. To address this, we investigated metabolism during acinar-to-ductal metaplasia (ADM), the first step of pancreatic carcinogenesis. Glycolytic markers were elevated in ADM lesions compared with normal tissue from human samples. Comprehensive metabolic assessment in three mouse models with pancreas-specific activation of KRAS, PI3K, or MEK1 using Seahorse measurements, nuclear magnetic resonance metabolome analysis, mass spectrometry, isotope tracing, and RNA sequencing analysis revealed a switch from oxidative phosphorylation to glycolysis in ADM. Blocking the metabolic switch attenuated ADM formation. Furthermore, mitochondrial metabolism was required for de novo synthesis of serine and glutathione (GSH) but not for ATP production. MYC mediated the increase in GSH intermediates in ADM, and inhibition of GSH synthesis suppressed ADM development. This study thus identifies metabolic changes and vulnerabilities in the early stages of pancreatic carcinogenesis. Significance: Metabolic reprogramming from oxidative phosphorylation to glycolysis mediated by MYC plays a crucial role in the development of pancreatic cancer, revealing a mechanism driving tumorigenesis and potential therapeutic targets. See related commentary by Storz, p. 2225

Brown adipose tissue (BAT) is a heater organ that expresses thermogenic uncoupling protein 1 (UCP1) to maintain high body temperatures during cold stress. BAT thermogenesis is considered an overarching mammalian trait, but its evolutionary origin is unknown. We show that adipose tissue of marsupials, which diverged from eutherian mammals ~ 150 million years ago, expresses a nonthermogenic UCP1 variant governed by a partial transcriptomic BAT signature similar to that found in eutherian beige adipose tissue. We found that the reconstructed UCP1 sequence of the common eutherian ancestor displayed typical thermogenic activity, whereas therian ancestor UCP1 is nonthermogenic. Thus, mammalian adipose tissue thermogenesis may have evolved in two distinct stages, with a prethermogenic stage in the common therian ancestor linking UCP1 expression to adipose tissue and thermal stress. We propose that in a second stage, UCP1 acquired its thermogenic function specifically in eutherians, such that the onset of mammalian BAT thermogenesis occurred only after the divergence from marsupials.